WO2023171295A1

WO2023171295A1 - 建設機械の制御装置およびこれを備えた建設機械

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Publication number: WO2023171295A1
Application number: PCT/JP2023/005515
Authority: WO
Inventors: 昌志鎌田; 真大川本
Original assignee: コベルコ建機株式会社
Priority date: 2022-03-09
Filing date: 2023-02-16
Publication date: 2023-09-14
Also published as: CN118749041A; JP2023131654A; EP4464885A1; JP7707968B2; EP4464885A4; US20250163679A1

Abstract

制御装置（１００Ａ）は、回転数検出部（１０１）と、制御部（５０）とを備える。制御部（５０）は、油圧ポンプ（１１）に対して指令される吐出量（Ｑ）に基づいてエンジン（１０）にかかる負荷トルク速度（Ｔｒｓ）を演算し、少なくとも負荷トルク速度に応じて目標回転数を補正するフィードフォワード制御と、エンジンの目標回転数（Ｎｄ）と回転数検出部（１０１）によって検出された回転数（Ｎｒ）との偏差に応じて目標回転数を補正するフィードバック制御とをそれぞれ実行する。

Description

建設機械の制御装置およびこれを備えた建設機械

　本発明は、建設機械の制御装置およびこれを備えた建設機械に関するものである。

　従来、エンジンと、当該エンジンの駆動力によって作動油を吐出する油圧ポンプと、油圧ポンプから作動油の供給を受けることで駆動するアクチュエータとを有する建設機械が知られている。エンジンは、目標回転数を達成するように回転駆動される。一方、油圧ポンプは吐出量（傾転指令）の指令値を受け付け、当該吐出量を達成するように駆動する。油圧ポンプとエンジンとはカップリング等の継手装置を介して接続されている。作業者がアクチュエータを駆動するための操作を行うと、油圧ポンプのトルクがエンジンに対する負荷トルクとなる。この結果、エンジンの回転数が目標回転数を維持することができなくなり、作業者の操作に応じた望ましい操作性を確保できなくなる場合がある。

　特許文献１には、このような建設機械における操作性を改善するために、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせたエンジン制御技術が開示されている。具体的に、当該エンジン制御装置は、アクチュエータの作動に応じて油圧ポンプを駆動させるのに必要なエンジンの出力を要求負荷として演算する要求負荷演算手段と、エンジンコントローラと、を備える。前記エンジンコントローラは、前記要求負荷演算手段により要求負荷が演算された際に、要求負荷に応じて予め設定した燃料噴射増加量をエンジンの燃料噴射量に加算するフィードフォワード制御手段と、前記フィードフォワード制御手段により燃料噴射量が増加された際に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が所定の判定閾値を超えた場合に、予め設定した前記燃料噴射増加量を減少補正する噴射量補正手段と、を備える。

特開２０１４－１２５９４９号公報

　特許文献１に記載された技術では、負荷トルクとエンジン回転数の補正指令量との関係が予め固定されているため、負荷トルクの速度（時間変化）に関わらず前記補正量が目標回転数に加算される。このため、負荷トルクの大きさが変わらない限り、指令補正量が目標回転数に加算された状態が維持されるため、負荷トルクが静定してもエンジンの回転数が目標回転数に静定せず、燃費が悪化するという問題があった。

　本発明の目的は、早期にエンジンの回転数を静定させることが可能な建設機械の制御装置およびこれを備えた建設機械を提供することにある。

　本発明により提供されるのは、エンジンと、回転数指令信号に応じて前記エンジンを制御するエンジンコントローラと、前記エンジンによって駆動され作動油を吐出する可変容量式の油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの作動油の供給を受けて作動するアクチュエータとを含む建設機械の制御装置である。当該制御装置は、前記エンジンの回転数を検出する回転数検出部と、入力された前記エンジンの目標回転数を補正し、前記回転数指令信号として前記エンジンコントローラに入力する制御部とを備える。前記制御部は、フィードフォワード制御とフィードバック制御とをそれぞれ実行することが可能である。フィードフォワード制御では、前記制御部は、前記油圧ポンプに対して指令される吐出量に基づいて前記エンジンにかかる負荷トルク速度を演算し、少なくとも前記負荷トルク速度に応じて前記目標回転数を補正する。フィードバック制御では、前記制御部は、前記目標回転数と前記回転数検出部によって検出された前記回転数との偏差に応じて前記目標回転数を補正する。前記負荷トルク速度は、前記エンジンにかかる負荷トルクの時間変化である。

　また、本発明によって提供されるのは、建設機械である。当該建設機械は、エンジンと、前記エンジンによって駆動され作動油を吐出する可変容量式の油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される作動油を受け入れることで作動するアクチュエータと、前記エンジンの回転数を制御する、上記に記載の建設機械の制御装置とを備える。

図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置を備える建設機械を示す側面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る制御装置の油圧回路図である。図３は、本発明の一実施形態に係る制御装置の制御部のブロック図である。図４は、本発明の一実施形態に係る制御装置における制御部の処理を示すフローチャートである。図５は、本発明の一実施形態に係る制御装置を備える建設機械におけるエンジン回転数の推移を示すグラフである。図６は、本発明の一実施形態に係る制御装置を備える建設機械における操作レバーの操作量と油圧ポンプの流量との関係を示すグラフである。図７は、本発明の一実施形態に係る制御装置を備える建設機械における負荷トルク速度とエンジンの回転数補正量との関係を示すグラフである。

　以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。

　図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置１００Ａ（図２）が搭載される油圧ショベル１００（建設機械）を示す。この油圧ショベル１００は、走行面上を走行可能なクローラ式の下部走行体１と、前記走行面に対して垂直な旋回中心軸まわりに旋回可能となるように下部走行体１の上に搭載される上部旋回体２（機体）と、この上部旋回体２に搭載される作業アタッチメント３と、を備える。当該作業アタッチメント３は、前記上部旋回体２に起伏可能に支持されるブーム４と、当該ブーム４の先端に回動可能に連結されるアーム５と、当該アーム５の先端に回動可能に連結されるバケット６とを備える。上部旋回体２は、旋回フレーム２Ｓと、キャブ２Ａとを有する。

　前記油圧ショベル１００は、前記上部旋回体２に対して前記ブーム４を起伏動作させるように作動するブームシリンダ７と、当該ブーム４に対して前記アーム５を回動動作させるように作動するアームシリンダ８と、当該アーム５に対して前記バケット６を回動動作させるように作動するバケットシリンダ９と、を更に備える。

　図２は、本実施形態に係るエンジン制御装置１００Ａ（制御装置）の油圧回路図である。図２に示すように、当該エンジン制御装置１００Ａは、エンジン１０に接続される第１油圧ポンプ１１（油圧ポンプ）および第２油圧ポンプ１２と、第１ポンプ圧センサ１１Ｐと、第２ポンプ圧センサ１２Ｐと、タンクＴと、パイロットポンプ２０と、前記ブームシリンダ７と、前記アームシリンダ８と、ブームコントロールバルブ１５と、アームコントロールバルブ１６と、第１バルブ比例弁２１と、第２バルブ比例弁２２と、第３バルブ比例弁２３と、第４バルブ比例弁２４と、レバーロック弁２５と、操作部３０と、制御部５０と、ＥＣＵ５５と、を備える。なお、図２では、バケットシリンダ９および旋回フレーム２Ｓに設けられる旋回モータおよびこれらに関係する油圧回路の図示を省略している。

　エンジン１０は、燃料噴射指令信号を受けて、当該信号に応じた燃料噴射量の燃料が噴射されることで回転し、駆動力を発生する。エンジン１０は、エンジン回転数センサ１０１（回転数検出部）と、過給圧力センサ１０２とを有する。エンジン回転数センサ１０１は、エンジン１０の回転数を検出し、当該検出結果に応じた信号を制御部５０に入力する。同様に、過給圧力センサ１０２は、エンジン１０の過給圧力を検出し、当該検出結果に応じた信号を制御部５０に入力する。

　第１油圧ポンプ１１は、主として、ブームシリンダ７を作動させるための作動油を吐出する。第２油圧ポンプ１２は、アームシリンダ８を作動させるための作動油を吐出する。パイロットポンプ２０は、各バルブ比例弁にパイロット油を供給する。第１油圧ポンプ１１、第２油圧ポンプ１２およびパイロットポンプ２０は、エンジン１０の出力軸にカップリング継手を介して接続され、エンジン１０によって駆動される。なお、図２では、エンジン１０とパイロットポンプ２０との接続の図示を省略している。

　本実施形態では、第１油圧ポンプ１１および第２油圧ポンプ１２は、可変容量式の油圧ポンプである。換言すれば、第１油圧ポンプ１１は第１ポンプ比例弁１１１を有し、第２油圧ポンプ１２は第２油圧ポンプ比例弁１２１を有する。これらの比例弁は制御部５０から受け付ける指令信号に応じて開弁し、第１油圧ポンプ１１および第２油圧ポンプ１２の吐出量（傾転）を調整する。

　第１ポンプ圧センサ１１Ｐ（圧力検出部）は、第１油圧ポンプ１１のポンプ圧（第１油圧ポンプ１１から吐出される作動油の圧力）を検出する。同様に、第２ポンプ圧センサ１２Ｐは、第２油圧ポンプ１２のポンプ圧（第２油圧ポンプ１２から吐出される作動油の圧力）を検出する。これらのポンプ圧センサによって検出されたポンプ圧に対応する信号は、制御部５０に入力される。

　ブームシリンダ７は、前記第１油圧ポンプ１１により吐出される作動油の供給を受けることによりブーム４にブーム下げ動作とブーム上げ動作とを行わせるように作動するアクチュエータである。ブームシリンダ７は、シリンダ本体と、前記シリンダ本体をヘッド室とロッド室とに仕切る仕切部（ピストン部）を含みシリンダ本体に対して相対移動可能なピストンロッドとを有する。ブームシリンダ７では、第１油圧ポンプ１１により吐出される作動油をヘッド室に受け入れることでブーム４に前記ブーム上げ動作を行わせるように伸長することが可能である一方、第１油圧ポンプ１１により吐出される作動油をロッド室に受け入れることでブーム４に前記ブーム下げ動作を行わせるように収縮することが可能である。

　アームシリンダ８は、第２油圧ポンプ１２により吐出される作動油の供給を受けることによりアーム５にアーム押し動作とアーム引き動作とを行わせるように作動するアクチュエータである。アームシリンダ８も、シリンダ本体と、前記シリンダ本体をヘッド室とロッド室とに仕切る仕切部（ピストン部）を含み、シリンダ本体に対して相対移動可能なピストンロッドとを有する。

　なお、図２に示すように、ブームシリンダ７にはブーム動作検出センサ７Ｓが装着され、アームシリンダ８にはアーム動作検出センサ８Ｓが装着されている。ブーム動作検出センサ７Ｓは、ブームシリンダ７の伸縮ストロークを検出することでブーム４の駆動状態を検出することができる。同様に、アーム動作検出センサ８Ｓは、アームシリンダ８の伸縮ストロークを検出することでアーム５の駆動状態を検出することができる。本実施形態では、ブーム動作検出センサ７Ｓおよびアーム動作検出センサ８Ｓはストロークセンサであるが、他の実施形態においてブーム４およびアーム５の角度を検出する角度センサであってもよい。

　ブームコントロールバルブ１５は、第１油圧ポンプ１１とブームシリンダ７との間に介在し、第１油圧ポンプ１１からブームシリンダ７に供給される作動油の流量を変化させるように開閉動作する。具体的に、ブームコントロールバルブ１５は、ブーム下げパイロットポート１５１及びブーム上げパイロットポート１５２を有するパイロット操作式の３位置方向切換弁からなる。

　ブームコントロールバルブ１５は、前記ブーム下げ及び前記ブーム上げパイロットポート１５１，１５２の何れにもパイロット圧が入力されないときは中立位置Ｐ２に保たれ、第１油圧ポンプ１１とブームシリンダ７との間を遮断する。なお、第１油圧ポンプ１１とブームコントロールバルブ１５との間の部位には、図略のリリーフ弁が配置されている。

　ブームコントロールバルブ１５は、ブーム下げパイロットポート１５１にブーム下げパイロット圧が入力されると、そのブーム下げパイロット圧の大きさに対応したストロークで中立位置Ｐ２からブーム下げ位置Ｐ１に切り換えられる。これにより、第１油圧ポンプ１１からブームシリンダ７のロッド室に前記ストロークに応じた流量で作動油が供給されることを許容するとともに、ブームシリンダ７のヘッド室から作動油が排出されることを許容するように、開弁する。これにより、ブームシリンダ７は前記ブーム下げパイロット圧に対応した速度で前記ブーム下げ方向に駆動される。

　ブームコントロールバルブ１５は、ブーム上げパイロットポート１５２にブーム上げパイロット圧が入力されると、そのブーム上げパイロット圧の大きさに対応したストロークで中立位置Ｐ２からブーム上げ位置Ｐ３に切り換えられる。これにより、第１油圧ポンプ１１からブームシリンダ７のヘッド室に前記ストロークに応じた流量で作動油が供給されることを許容するとともに、ブームシリンダ７のロッド室から作動油が排出されることを許容するように、ブームコントロールバルブ１５が開弁する。これにより、ブームシリンダ７は前記ブーム上げパイロット圧に対応した速度で前記ブーム上げ方向に駆動される。

　アームコントロールバルブ１６は、第２油圧ポンプ１２とアームシリンダ８との間に介在し、第２油圧ポンプ１２からアームシリンダ８に供給される作動油の流量を変化させるように開閉動作する。具体的に、アームコントロールバルブ１６は、アーム押しパイロットポート１６１及びアーム引きパイロットポート１６２を有するパイロット操作式の３位置方向切換弁からなる。

　アームコントロールバルブ１６は、アーム押し及びアーム引きパイロットポート１６１，１６２の何れにもパイロット圧が入力されないときは中立位置Ｐ５に保たれ、第２油圧ポンプ１２とアームシリンダ８との間を遮断する。なお、第２油圧ポンプ１２とアームコントロールバルブ１６との間の部位には、図略のリリーフ弁が配置されている。

　アームコントロールバルブ１６は、アーム押しパイロットポート１６１にアーム押しパイロット圧が入力されるとそのアーム押しパイロット圧の大きさに対応したストロークで中立位置Ｐ５からアーム押し位置Ｐ４に切換えられる。これにより、第２油圧ポンプ１２からアームシリンダ８のロッド室に前記ストロークに応じた流量で作動油が供給されることを許容するとともに、アームシリンダ８のヘッド室からタンクに作動油が戻ることを許容するように、アームコントロールバルブ１６が開弁する。これにより、アームシリンダ８は前記アーム押しパイロット圧に対応した速度で前記アーム押し方向に駆動される。

　アームコントロールバルブ１６は、アーム引きパイロットポート１６２にアーム引きパイロット圧が入力されるとそのアーム引きパイロット圧の大きさに対応したストロークで中立位置Ｐ５からアーム引き位置Ｐ６に切換えられる。これにより、第２油圧ポンプ１２からアームシリンダ８のヘッド室に前記ストロークに応じた流量で作動油が供給されることを許容するとともに、アームシリンダ８のロッド室からタンクに作動油が戻ることを許容するように、開弁する。これにより、アームシリンダ８は前記アーム引きパイロット圧に対応した速度で前記アーム引き方向に駆動される。

　操作部３０は、キャブ２Ａに配置され、オペレータによって油圧ショベル１００を作動させるための各種の操作を受け付ける。操作部３０は、ブーム操作部３１と、アーム操作部３２と、ダイヤルスイッチ３３と、レバーロックスイッチ３４とを有する。

　ブーム操作部３１（操作装置）は、ブーム４にブーム下げ動作及びブーム上げ動作をそれぞれ行わせるためのブーム下げ操作及びブーム上げ操作を受ける。具体的に、ブーム操作部３１は、ブームシリンダ７を駆動するための操作を受けるブーム操作用レバー３１Ａと、ブーム用指令出力部３１Ｂと、を有する。

　ブーム操作用レバー３１Ａは、オペレータによる前記ブーム下げ操作及び前記ブーム上げ操作を受けて回動することが可能な部材である。前記ブーム下げ操作及び前記ブーム上げ操作は、ブーム操作用レバー３１Ａを互いに逆向きに回動させる操作である。

　ブーム用指令出力部３１Ｂは、ブーム操作用レバー３１Ａに与えられる前記ブーム上げ操作及び前記ブーム下げ操作に連動して、当該操作に対応する指令信号を制御部５０に入力する。前記指令信号は、ブーム操作用レバー３１Ａの操作方向および操作量に対応する情報を含む。

　アーム操作部３２（操作装置）は、アーム５にアーム押し動作及びアーム引き動作をそれぞれ行わせるためのアーム押し操作及びアーム引き操作を受ける。具体的に、アーム操作部３２は、アームシリンダ８を駆動するための操作を受けるアーム操作用レバー３２Ａと、アーム用指令出力部３２Ｂと、を有する。

　アーム操作用レバー３２Ａは、オペレータによるアーム押し操作及びアーム引き操作を受けて回動することが可能な部材である。アーム押し操作及びアーム引き操作はアーム操作用レバー３２Ａを互いに逆向きに回動させる操作である。

　アーム用指令出力部３２Ｂは、アーム操作用レバー３２Ａに与えられるアーム押し操作及びアーム引き操作の一方の操作に連動して、当該操作に対応する指令信号を制御部５０に入力する。前記指令信号は、アーム操作用レバー３２Ａの操作方向および操作量に対応する情報を含む。

　ダイヤルスイッチ３３は、エンジン１０の目標回転数の入力を受ける。本実施形態では、ダイヤルスイッチ３３は、回転可能なダイヤルであり、オペレータがエンジン１０の目標回転数を設定するために操作（回転）される。ダイヤルスイッチ３３は、不図示の操作量送信部を含む。当該操作量送信部は、オペレータがダイヤルスイッチ３３を回転させ目標回転数を設定することで、当該目標回転数に応じた信号（操作量信号、回転数信号）が制御部５０に入力される。

　レバーロックスイッチ３４は、ブームコントロールバルブ１５およびアームコントロールバルブ１６に対するパイロット油の供給および遮断を切り換えるためのスイッチである。レバーロックスイッチ３４がオンに設定されると、第１バルブ比例弁２１、第２バルブ比例弁２２、第３バルブ比例弁２３および第４バルブ比例弁２４に対するパイロット油の供給を許容するように、レバーロック弁２５に対して指令信号（駆動信号）が入力される。一方、レバーロックスイッチ３４がオフに設定されると、第１バルブ比例弁２１、第２バルブ比例弁２２、第３バルブ比例弁２３および第４バルブ比例弁２４に対するパイロット油の供給を阻止するように、レバーロック弁２５に対して指令信号が入力される。

　第１バルブ比例弁２１および第２バルブ比例弁２２は、ブーム操作部３１のブーム操作用レバー３１Ａに入力される操作に対応するパイロット圧がブームコントロールバルブ１５に対してパイロットポンプ２０から入力されることを許容するように作動する。同様に、第３バルブ比例弁２３および第４バルブ比例弁２４は、アーム操作部３２のアーム操作用レバー３２Ａに入力される操作に対応するパイロット圧がアームコントロールバルブ１６に対してパイロットポンプ２０から入力されることを許容するように開弁する。なお、他の実施形態において、ブーム操作部３１およびアーム操作部３２がリモコン弁を有し、ブーム操作用レバー３１Ａおよびアーム操作用レバー３２Ａが受ける操作量に応じて、ブームコントロールバルブ１５およびアームコントロールバルブ１６のパイロット圧が直接調整される態様でもよい。また、各レバーは電気式のレバーでもよい。

　レバーロック弁２５は、パイロットポンプ２０と各バルブ比例弁との間に介在するように配置される。レバーロック弁２５は、レバーロックスイッチ３４の状態に応じた信号（ロック解除信号）を制御部５０から受け付けることで開弁し、各バルブ比例弁へのパイロット油の供給を許容する状態と遮断する状態とに切り換わる。

　制御部５０は、ダイヤルスイッチ３３に入力された目標回転数の補正値を設定し、当該補正値に応じた指令信号をＥＣＵ５５に入力する。図３は、本実施形態に係るエンジン制御装置１００Ａの制御部５０のブロック図である。

　制御部５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＰＵの作業領域として使用されるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等から構成されている。制御部５０は、前記ＣＰＵがＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、演算部５０１、判定部５０２および記憶部５０３の各機能部を備えるように機能する。これらの機能部は、実体を有するものではなく、前記制御プログラムによって実行される機能の単位に相当する。なお、制御部５０のすべてまたは一部は、油圧ショベル１００内に設けられるものに限定されず、油圧ショベル１００がリモート制御される場合には、油圧ショベル１００とは異なる位置に配置されても良い。また、前記制御プログラムは遠隔地のサーバ（管理装置）やクラウドなどから油圧ショベル１００内の制御部５０に送信され実行されるものでもよいし、前記サーバやクラウド上で前記制御プログラムが実行され、生成された各種の指令信号が油圧ショベル１００に送信されるものでもよい。

　演算部５０１は、制御部５０が実行する各種の処理において必要とされる演算処理を実行する。判定部５０２は、制御部５０が実行する各種の処理において必要とされる判定処理を実行する。記憶部５０３は、制御部５０が実行する各種の処理において必要とされるパラメータ、閾値を記憶する。

　また、制御部５０は、ブーム操作用レバー３１Ａ、アーム操作用レバー３２Ａ、ダイヤルスイッチ３３、レバーロックスイッチ３４、エンジン回転数センサ１０１、過給圧力センサ１０２、第１ポンプ圧センサ１１Ｐ、第２ポンプ圧センサ１２Ｐ、ブーム動作検出センサ７Ｓおよびアーム動作検出センサ８Ｓから各種の信号を受け入れる。更に、制御部５０は、ＥＣＵ５５、第１ポンプ比例弁１１１、第２油圧ポンプ比例弁１２１、第１バルブ比例弁２１、第２バルブ比例弁２２、第３バルブ比例弁２３、第４バルブ比例弁２４およびレバーロック弁２５に各種の指令信号を入力する。

　特に、制御部５０は、操作部３０から受信した操作レバー量信号を目標ポンプ吐出指令信号に変換し、第１ポンプ比例弁１１１、第２油圧ポンプ比例弁１２１に入力する。また、制御部５０は、操作部３０から受信した操作レバー量信号を目標バルブスプールストローク量指令信号に変換し、第１バルブ比例弁２１、第２バルブ比例弁２２、第３バルブ比例弁２３および第４バルブ比例弁２４に入力する。更に、制御部５０は、ダイヤルスイッチ３３が受けたダイヤルスイッチ操作量を目標エンジン回転数指令信号に変換する。

　ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）５５は、制御部５０から回転数指令信号（指令信号）を受け入れ、当該回転数指令信号に応じた燃料噴射量でエンジン１０を所定の実回転数で回転させるようにエンジン１０を制御する。

　本実施形態では、制御部５０は、フィードフォワード制御およびフィードバック制御を実行することが可能である。フィードフォワード制御では、制御部５０は、操作部３０に入力される前記操作の操作量に応じて第１油圧ポンプ１１および第２油圧ポンプ１２の吐出量Ｑ（吐出量指令）を決定し、当該吐出量Ｑとエンジン回転数センサ１０１によって検出された回転数Ｎｒと第１ポンプ圧センサ１１Ｐ、第２ポンプ圧センサ１２Ｐによって検出されたポンプ圧Ｐとから、エンジン１０にかかる負荷トルクＴｒの時間変化である負荷トルク速度Ｔｒｓを演算し、少なくとも前記負荷トルク速度に応じてエンジン１０の目標回転数の補正値を設定する。一方、フィードバック制御では、制御部５０は、ダイヤルスイッチ３３を通じて入力された目標回転数Ｎｄ（回転数指令）とエンジン回転数センサ１０１によって検出された回転数Ｎｒとの偏差に応じてエンジン１０の目標回転数の補正値を設定する。

　以下では、操作部３０のブーム操作部３１が操作されることに伴って、第１油圧ポンプ１１が作動油をブームシリンダ７に向かって吐出するとともに、エンジン１０の回転数が調整される態様について説明する。図４は、本実施形態に係るエンジン制御装置１００Ａにおける制御部５０が実行するエンジン制御処理を示すフローチャートである。図５は、エンジン制御装置１００Ａを備える油圧ショベル１００におけるエンジン回転数の推移を示すグラフである。なお、図５では、ＥＣＵ５５への回転数指令値が破線のグラフで示され、エンジン１０の実回転数が実線のグラフで示されている。図６は、エンジン制御装置１００Ａを備える油圧ショベル１００における操作レバーの操作量と油圧ポンプの流量との関係を示すグラフである。図７は、エンジン制御装置１００Ａを備える油圧ショベル１００における負荷トルク速度とエンジン１０の回転数補正量との関係を示すグラフである。

　油圧ショベル１００において、オペレータがキャブ２Ａ内のエンジンキーをスタートすることで、エンジン１０が始動する（図４のステップＳ１）。この際、ダイヤルスイッチ３３は、デフォルト設定（Ｌｏｗアイドル）とされ、レバーロックスイッチ３４はＯＦＦ状態であり、パイロット油圧回路はレバーロック弁２５によって閉じられている。すなわち、操作部３０は、無操作状態である。この際、図５の矢印Ａで示すように、エンジン１０はアイドル回転数で回転している。

　次に、オペレータがダイヤルスイッチ３３操作し、エンジン１０の目標回転数を設定する（ステップＳ２）。次に、制御部５０の判定部５０２が、レバーロックスイッチ３４がＯＮ状態に操作されたか否かを判定する（ステップＳ３）。ここで、レバーロックスイッチ３４がＯＮ状態とされると、パイロット油圧回路が開放される（ステップＳ３でＹＥＳ）。なお、レバーロックスイッチ３４がＯＦＦ状態の場合（ステップＳ３でＮＯ）、レバーロックスイッチ３４がＯＮ状態とされるまで、判定部５０２はステップＳ３の判定を繰り返す。この際、この際、図５の矢印Ｂで示すように、無負荷状態のエンジン１０は目標回転数（実回転数）で回転している。

　レバーロックスイッチ３４がＯＮ状態とされると、判定部５０２は、操作部３０のブーム操作用レバー３１Ａに対するレバー操作入力の有無を判定する（ステップＳ４）。ここで、レバー操作の入力がある場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御部５０はフォードフォワード制御（ＦＦ制御）を開始する。なお、レバー操作の入力がない場合（ステップＳ４でＮＯ）、判定部５０２はステップＳ４の判定を繰り返す。

　フィードフォワード制御が開始されると（ステップＳ５）、演算部５０１が負荷トルク速度を演算する（ステップＳ６）。この際、演算部５０１は、操作部３０の操作用レバー３１Ａが受ける操作量と、予め記憶部５０３に記憶された図６に示されるマップ情報とから、必要ポンプ流量Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）を決定する。更に、演算部５０１は、エンジン回転数センサ１０１が検出するエンジン１０の実エンジン回転数Ｎｒ（ｒｐｍ）と上記の必要ポンプ流量Ｑとから、下記の式１に基づいて必要ポンプ傾転ｑ（ｃｃ／ｒｅｖ）を演算する。

　当該必要ポンプ傾転ｑに対応する指令信号が第１油圧ポンプ１１の第１ポンプ比例弁１１１に入力され、第１油圧ポンプ１１の吐出量（傾転）が調整される。また、ブーム操作用レバー３１Ａに入力される操作量に応じて、第１バルブ比例弁２１または第２バルブ比例弁２２に指令信号が入力され、ブームコントロールバルブ１５のスプールの移動量（ストローク量）が調整される。

　更に、演算部５０１は、式１に基づいて演算した必要ポンプ傾転ｑと、第１ポンプ圧センサ１１Ｐが検出する実ポンプ圧Ｐ（ＭＰａ）（ポンプ圧力）とから、最新の第１油圧ポンプ１１の出力トルク、すなわち負荷トルクＴｒ（Ｎｍ）を、以下の式２に基づいて演算する。

　また、演算部５０１は、式２によって演算した負荷トルクＴｒを下記の式３のようにサンプリング時間Δｔ（ｓｅｃ）で微分することによって、負荷トルク速度Ｔｒｓ（Ｎｍ／ｓｅｃ）を演算する。

　次に、演算部５０１は、式３によって演算した負荷トルク速度Ｔｒｓに対して、予め記憶部５０３に記憶された図７の特性値マップから、エンジン１０の目標回転数指令の補正値ΔＮｆｆを決定する（ステップＳ７）。当該特性値マップでは、演算された負荷トルク速度Ｔｒｓが大きいほど目標回転数指令の補正値ΔＮｆｆが大きくなるように当該補正値が設定される。なお、図７に示されるようなグラフの回帰式が予め記憶部５０３に格納され、演算部５０１は当該回帰式に基づいて、補正値ΔＮｆｆを演算してもよい。

　本実施形態では、エンジン制御装置１００Ａはエンジン１０の過給圧力センサ１０２が検出する過給圧力に対応する情報を取得することができる。このため、記憶部５０３には、エンジン１０の過給圧力（複数の圧力領域）に応じて、複数の特性値マップが格納されていることが望ましい。エンジン１０が過給式エンジンの場合には、過給圧力の大きさによって可能な出力が決まっている。このため、上記のように、過給圧力に応じた補正値ΔＮｆｆを設定することで、より安定した回転数制御を行うことができる。

　次に、制御部５０は、上記のように決定された補正値ΔＮｆｆをダイヤルスイッチ３３に入力された目標回転数に反映させた指令信号をＥＣＵ５５に入力する（ステップＳ８、ＦＦ回転数指令補正）。このような補正された回転数に対応する指令信号を受けたＥＣＵ５５は、その補正量に対応して燃料噴射量指令値などを補正し、エンジン１０の実回転数を上昇させる。なお、本実施形態では、図５の矢印Ｃで示すように、制御部５０は、目標回転数の補正値の最大値を一定時間維持するように、ＥＣＵ５５に指令信号を入力する。

　やがて、ブーム操作用レバー３１Ａの操作開始直後における実負荷トルクの急上昇により、エンジン１０の回転数が図５の矢印Ｄで示すように一時的にダウンするが、予めフィードフォワード制御により回転数指令値が高い状態に保持されているため、高燃料噴射状態が保持され、エンジン１０の回転数ダウンを抑制することができる。

　ＥＣＵ５５に対する回転数指令を行った後、制御部５０の判定部５０２は、アクチュエータ（ＡＣＴ）、すなわち、ブームシリンダ７が加速したか否かを判定する（ステップＳ９）。換言すれば、前述の第１油圧ポンプ１１の第１ポンプ比例弁１１１への吐出指令およびブームコントロールバルブ１５へのバルブストローク指令に応じて、ブームシリンダ７に作動油が流入し、ブーム４が駆動したか否かが判定される。ここで、ブームシリンダ７が加速している場合（ステップＳ９でＹＥＳ）、制御部５０はフィードフォワード制御の実行を終了し（ステップＳ１０）、フィードバック制御（ＦＢ制御）に移行する（ステップＳ１１）。なお、ステップＳ９においてブームシリンダ７が加速していない場合（ステップＳ９でＮＯ）、記憶部５０３はステップＳ９においてブームシリンダ７の加速判定を繰り返す。

　ステップＳ１１においてフィードバック制御が開始されると、演算部５０１が、回転数偏差を演算する（ステップＳ１２）。この際、演算部５０１は、ダイヤルスイッチ３３で設定されたエンジン１０の目標回転数Ｎｄ（ｒｐｍ）と、エンジン回転数センサ１０１で検出された実エンジン回転数Ｎｒ（ｒｐｍ）との偏差を演算する。更に、演算部５０１は、上記で演算された偏差に基づいて、フィードバック制御における回転数補正指令値を演算する（ステップＳ１３）。なお、本実施形態では、下記の式４で示すように、目標回転数Ｎｄ（ｒｐｍ）と実エンジン回転数Ｎｒ（ｒｐｍ）との偏差をそのまま、回転数補正値ΔＮｆｂとする。

　そして、制御部５０は、演算された回転数補正値ΔＮｆｂに応じた指令信号（補正エンジン回転数指令）をＥＣＵ５５に入力する（ステップＳ１４、図５の矢印Ｅ）。指令信号を受けたＥＣＵ５５は、その補正量に応じて、燃料噴射量指令等を補正することで、エンジン１０の回転数が目標回転数に近づくように制御される（図５の矢印Ｆ）。

　更に、制御部５０の判定部５０２はレバーロックスイッチ３４がＯＦＦ状態に切り換えられたか否かを判定する（ステップＳ１５）。ここで、レバーロックスイッチ３４がＯＦＦ状態の場合（ステップＳ１５でＹＥＳ）、制御部５０は、フィードフォワード制御を終了し（ステップＳ１６）、図４のエンジン制御を終了する。一方、ステップＳ１５において、レバーロックスイッチ３４がＯＮ状態のままである場合（ステップＳ１５でＮＯ）、制御部５０はステップＳ１２以降の処理を繰り返す。すなわち、実エンジン回転数と目標エンジン回転数の偏差が０になるようにフィードバック制御が実行され続ける。

　以上のように、本実施形態では、ブーム操作用レバー３１Ａが操作され、第１油圧ポンプ１１の回転に伴う負荷トルクがエンジン１０に作用することに対応して、制御部５０がフィードフォワード制御およびフィードフォワード制御をそれぞれ実行することができる。

　このような構成によれば、制御部５０が実行するフィードフォワード制御によって第１油圧ポンプ１１の負荷トルクに対するエンジン１０の回転数ダウン量を抑制するとともに、フィードバック制御によって早期にエンジン１０の回転数を目標回転数に静定させることができる。特に、負荷トルク速度に応じてフィードフォワード制御における指令補正量を決定するため、同じ負荷トルクでも入力速度が遅く回転数ダウン量が小さくなるような条件では、前記補正量を抑えつつ最適な回転数補正制御が可能になるため、早期にエンジン１０の回転数を静定させ、従来のエンジン制御装置よりもエンジン１０の燃費を抑制することができる。また、制御部５０が第１ポンプ比例弁１１１に入力するポンプ吐出量指令がエンジン回転数の変動に応じて変化することがないため、オペレータがブーム操作用レバー３１Ａに入力する操作量によってポンプ吐出指令が設定され、操作量に応じた流量補償が可能になる。また、補正後の目標回転数に応じた指令信号をＥＣＵ５５に入力するだけでエンジン１０の回転数を調整することができる。この結果、エンジン１０の回転数の補正制御がＥＣＵ５５側の制御パラメータに介入しないため、当該回転数制御についてエンジン１０およびＥＣＵ５５の設計変更を要することがなく、開発期間の短縮やコスト低減が実現される。

　更に、本実施形態では、制御部５０は、フィードフォワード制御において、設定したポンプの吐出量Ｑとエンジン回転数センサ１０１によって検出された回転数Ｎｒと第１ポンプ圧センサ１１Ｐによって検出された第１油圧ポンプ１１のポンプ圧Ｐとから負荷トルク速度Ｔｒｓを演算する。

　このため、エンジン１０の実回転数と第１油圧ポンプ１１の吐出圧とから最新の負荷トルク速度を容易に演算することができる。

　また、本実施形態では、エンジン制御装置１００Ａが、ブームシリンダ７が作動していることを検出するブーム動作検出センサ７Ｓ（作動検出部）を更に備えている。そして、制御部５０は、ブーム操作用レバー３１Ａがブームシリンダ７を駆動するための操作を受けた後、ブームシリンダ７が作動していることをブーム動作検出センサ７Ｓが検出した場合、フィードフォワード制御の実行を停止する。

　このため、油圧ショベル１００の作業中における負荷トルク速度の変動に応じたフィードフォワード制御の実行を防止し、エンジン１０の過剰な回転数変動を抑制することができる。

　また、本実施形態では、前記フィードフォワード制御において、前記演算された負荷トルク速度が大きいほど目標回転数の補正値が大きくなるように当該補正値を設定する。

　このような構成によれば、エンジン１０に作用する負荷トルク速度が大きい場合でも、目標回転数の補正値を大きく設定することで、急激なエンジン１０の回転数ダウン量を低減することができる。

　更に、本実施形態では、制御部５０は、フィードフォワード制御において、負荷トルク速度に応じてエンジン１０の目標回転数の補正値の最大値を設定し、当該最大値を一定時間維持するように目標回転数を補正する。

　このような構成によれば、フィードフォワード制御における回転数補正値の最大値が一定時間保持されることにより、ＥＣＵ５５に対する回転数指令値が高い領域に保持され、負荷トルク発生直後の回転数ダウン量を更に低減することができる。

　更に、本実施形態では、エンジン制御装置１００Ａは、エンジン１０の過給圧力を検出する過給圧力センサ１０２（過給圧検出部）を更に備えている。そして、制御部５０は、フィードフォワード制御において、負荷トルク速度および過給圧力センサ１０２によって検出された過給圧力に応じて目標回転数を補正する。

　このような構成によれば、エンジン１０のブースト状態によりエンジン１０の出力特性が変化する構成であっても、過給圧力に応じて適切な目標回転数の補正量を設定することが可能となり、高過給時の無駄な補正による回転数のオーバーシュート（燃費悪化）を防止することができる。

　以上、本発明に係るエンジン制御装置１００Ａおよびこれを備えた油圧ショベル１００について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば以下のような変形実施形態をとることができる。

　（１）上記の実施形態では、ブーム操作用レバー３１Ａが操作され、第１油圧ポンプ１１の負荷トルクがエンジン１０に掛かる態様にて説明したが、自動運転を行う機械においては、操作レバーの操作量ではなく、制御部５０が作業における目標位置、目標面、目標姿勢もしくは目標軌跡等に基づき作業アタッチメント３を作動させるために算出したブーム４、アーム５及びバケット６それぞれの作動速度もしくは作動量を作動指令として演算し、当該作動指令に基づいて第１油圧ポンプ１１もしくは第２油圧ポンプ１２の吐出量を制御してもよい。

　（２）また、上記の実施形態では、ダイヤルスイッチ３３は、回転可能なダイヤルであり、オペレータがエンジン１０の目標回転数を設定するために当該ダイヤルスイッチ３３を操作（回転）する態様にて説明したが、自動運転を行う機械においては、ダイヤルスイッチ３３の回転ではなく、制御部５０がショベル１００の行う作業、動作及び機械の状態等に基づいて目標回転数を設定してもよい。

　（３）上記の実施形態では、ブーム操作用レバー３１Ａが操作され、第１油圧ポンプ１１の負荷トルクがエンジン１０に掛かる態様にて説明したが、第２油圧ポンプ１２についても同様である。また、ブーム操作用レバー３１Ａおよびアーム操作用レバー３２Ａの両方が操作され、第１油圧ポンプ１１および第２油圧ポンプ１２の負荷トルクがそれぞれエンジン１０に掛かる場合は、各ポンプの負荷トルクの和に基づいて、上記と同様の演算処理が実行されればよい。

　（４）また、上記の実施形態では、油圧ショベル１００が第１油圧ポンプ１１と第２油圧ポンプ１２とを備えているが、本発明はこれに限られず、第１油圧ポンプ１１及び第２油圧ポンプ１２の一方が省略されてもよい。かかる場合、他方の油圧ポンプから吐出される作動油が前記ブームシリンダ７に供給されるとともに前記アームシリンダ８に供給される。

　（５）また、作業アタッチメント３の先端アタッチメントは、バケットに限られず、例えばグラップル、圧砕機、ブレーカ、フォークなどの他の先端アタッチメントであってもよい。また、本発明の制御装置が搭載される建設機械は、前記油圧ショベルに限られず、他の建設機械であってもよい。

　（６）先の実施形態では、機体が下部走行体１であるが、前記機体は下部走行体１のように走行可能なものに限定されず、特定の場所に設置されて上部旋回体２を支持する基台であってもよい。

　（７）本発明において、回転数など所定の指令値を補正することは、前記指令値を補正した後、当該補正後の指令値に対応する信号を入力先に入力するものでもよいし、前記所定の指令値に対応する信号を補正した後、入力先に入力するものでもよい。換言すれば、補正対象は、指令値自体でも良いし、これに対応する信号の値（大きさ）でもよい。

　本構成によれば、制御部が実行するフィードフォワード制御によって油圧ポンプの負荷トルクに対するエンジンの回転数ダウン量を抑制するとともに、フィードバック制御によって早期にエンジンの回転数を目標回転数に静定させることができる。特に、フィードフォワード制御では、負荷トルク速度に応じて目標回転数の補正量を決定するため、同じ負荷トルクでも入力速度が遅く回転数ダウン量が小さくなるような条件では、前記補正量を抑えることが可能になり、早期にエンジンの回転数を静定させ、従来のエンジン制御装置よりもエンジンの燃費を抑制することができる。

　上記の構成において、前記油圧ポンプのポンプ圧を検出する圧力検出部を更に備え、前記制御部は、前記吐出量と前記回転数検出部によって検出された前記回転数と前記圧力検出部によって検出された前記ポンプ圧とに基づいて前記負荷トルク速度を演算することが望ましい。

　本構成によれば、エンジンの実回転数と油圧ポンプのポンプ圧とから最新の負荷トルク速度を容易に演算することができる。

　上記の構成において、前記アクチュエータが作動していることを検出する作動検出部を更に備え、前記制御部は、前記アクチュエータが作動していることを前記作動検出部が検出した場合、前記フィードフォワード制御の実行を停止することが望ましい。

　本構成によれば、建設機械の作業中には負荷トルク速度の変動に応じたフィードフォワード制御の実行を防止し、エンジンの過度な回転数変動を抑制することができる。

　上記の構成において、前記制御部は、前記フィードフォワード制御において、前記演算された負荷トルク速度が大きいほど前記目標回転数が大きくなるように当該目標回転数を補正することが望ましい。

　本構成によれば、エンジンに作用する負荷トルクの速度が大きい場合でも、目標回転数の補正値を大きく設定することで、急激なエンジンの回転数ダウンを低減することができる。

　上記の構成において、前記制御部は、前記フィードフォワード制御において、前記負荷トルク速度に応じて前記目標回転数の補正値の最大値を設定し、当該最大値を一定時間維持するように前記目標回転数を補正することが望ましい。

　本構成によれば、フィードフォワード制御における回転数補正値の最大値が一定時間維持されることにより、エンジンに対する回転数指令が高い領域に維持され、負荷トルク発生直後の回転数ダウンを更に低減することができる。

　上記の構成において、前記エンジンの過給圧力を検出する過給圧検出部を更に備え、前記制御部は、前記フィードフォワード制御において、前記負荷トルク速度および前記過給圧検出部によって検出された前記過給圧力に応じて前記目標回転数を補正することが望ましい。

　本構成によれば、エンジンのブースト状態に応じてエンジンの出力特性が変化する構成であっても、過給圧力に応じて適切に目標回転数を補正することが可能となり、高過給時の無駄な補正による回転数のオーバーシュート（燃費悪化）を防止することができる。

　上記の構成において、前記アクチュエータを操作するための操作装置と、前記エンジンの目標回転数を入力するための入力部と、を更に備え、前記制御部は、前記操作装置の操作量に応じて前記油圧ポンプに指令する前記吐出量を設定するものでもよい。

　本構成によれば、作業者によるアクチュエータの操作に対して、制御部が実行するフィードフォワード制御によって油圧ポンプの負荷トルクに対するエンジンの回転数ダウン量を抑制するとともに、フィードバック制御によって早期にエンジンの回転数を目標回転数に静定させることができる。

　本構成によれば、早期にエンジンの回転数を静定させることが可能な建設機械を提供することができる。

　本発明によれば、早期にエンジンの回転数を静定させることが可能な建設機械の制御装置およびこれを備えた建設機械を提供することができる。

Claims

　エンジンと、回転数指令信号に応じて当該エンジンを制御するエンジンコントローラと、前記エンジンによって駆動される可変容量式の油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの作動油の供給を受けて作動するアクチュエータとを含む建設機械の制御装置であって、
　前記エンジンの回転数を検出する回転数検出部と、
　入力された前記エンジンの目標回転数を補正し、前記回転数指令信号として前記エンジンコントローラに入力する制御部であって、前記油圧ポンプに対して指令される吐出量に基づいて前記エンジンにかかる負荷トルク速度を演算し、前記負荷トルク速度に応じて前記目標回転数を補正するフィードフォワード制御と、前記目標回転数と前記回転数検出部によって検出された前記回転数との偏差に応じて前記目標回転数を補正するフィードバック制御とを実行する制御部と、を備える、建設機械の制御装置。
　請求項１に記載の建設機械の制御装置であって、
　前記油圧ポンプのポンプ圧を検出する圧力検出部を更に備え、
　前記制御部は、前記吐出量と前記回転数検出部によって検出された前記回転数と前記圧力検出部によって検出された前記ポンプ圧とに基づいて前記負荷トルク速度を演算する、建設機械の制御装置。
　請求項１または２に記載の建設機械の制御装置であって、
　前記アクチュエータが作動していることを検出する作動検出部を更に備え、
　前記制御部は、前記アクチュエータが作動していることを前記作動検出部が検出した場合、前記フィードフォワード制御の実行を停止する、建設機械の制御装置。
　請求項１乃至３の何れか１項に記載の建設機械の制御装置であって、
　前記制御部は、前記フィードフォワード制御において、前記演算された負荷トルク速度が大きいほど前記目標回転数が大きくなるように当該目標回転数を補正する、建設機械の制御装置。
　請求項１乃至４の何れか１項に記載の建設機械の制御装置であって、
　前記制御部は、前記フィードフォワード制御において、前記負荷トルク速度に応じて前記目標回転数の補正値の最大値を設定し、当該最大値を一定時間維持するように前記目標回転数を補正する、建設機械の制御装置。
　請求項１乃至５の何れか１項に記載の建設機械の制御装置であって、
　前記エンジンの過給圧力を検出する過給圧検出部を更に備え、
　前記制御部は、前記フィードフォワード制御において、前記負荷トルク速度および前記過給圧検出部によって検出された前記過給圧力に応じて前記目標回転数を補正する、建設機械の制御装置。
　請求項１乃至６の何れか１項に記載の建設機械の制御装置であって、
　前記アクチュエータを操作するための操作装置と、
　前記エンジンの目標回転数を入力するための入力部と、
を更に備え、
　前記制御部は、前記操作装置の操作量に応じて前記油圧ポンプに指令する前記吐出量を設定する、建設機械の制御装置。
　エンジンと、
　前記エンジンによって駆動され作動油を吐出する可変容量式の油圧ポンプと、
　前記油圧ポンプから吐出される作動油を受け入れることで作動するアクチュエータと、
　前記エンジンの回転数を制御する、請求項１乃至７の何れか１項に記載の建設機械の制御装置と、
　を備える、建設機械。