專利名稱:混合式施工機械及混合式施工機械的控制方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種混合式施工機械及混合式施工機械的控制方法,使用了升降壓轉換器,該升降壓轉換器具有升壓用開關元件及降壓用開關元件,且進行對負荷的電力供給的控制與由負荷獲得的再生電力的對蓄電器的供給的控制。
背景技術:
以往,提出了將驅動機構的一部分電動化了的混合式施工機械。這種施工機械具備對吊桿(boom)、搖臂(arm)及鏟斗(bucket)等操作要素進行液壓驅動的液壓泵,通過增速器將電動發(fā)電機連接于用于驅動該液壓泵的發(fā)動機,由電動發(fā)電機輔助發(fā)動機的驅動并將由發(fā)電得到的電力充電到電池上。并且,作為使上部回轉體回轉用的回轉機構的動力源,除了液壓馬達,還具備電動機,回轉機構加速時,由電動機輔助液壓馬達的驅動,回轉機構減速時,由電動機進行再生運行,并將發(fā)電的電力充電到電池上(例如參照專利文獻I)。專利文獻1:日本特開平10-103112號公報。但是,在這種混合式施工機械中,由于重復進行如電動發(fā)電機等的由負荷引起的電力消耗和再生電力的生成,因此蓄電機構的電壓值變動大。存在如下課題:蓄電機構的電壓值的變動會帶來負荷的控制性的偏差及由過電流引起的負荷的驅動器的損傷等情況。
發(fā)明內容
因此,本發(fā)明的目的在于,提供一種抑制蓄電機構的電壓值的變動,并且抑制負荷的控制性的偏差及由過電流引起的負荷的驅動器的損傷等的發(fā)生的混合式施工機械及混合式施工機械的控制方法。根據本發(fā)明的一方面的混合式施工機械,包含內燃機、電動發(fā)電機、由液壓驅動的操作要素、用回轉用電動機回轉驅動的回轉機構,其特征在于,具備配設在所述電動發(fā)電機和所述回轉用電動機之間的蓄電機構,該蓄電機構具備維持固定范圍內的電壓值的固定電壓蓄電部、允許基于所述電動發(fā)電機的電動發(fā)電運行或基于所述回轉用電動機的電力再生運行的電壓值的變動的變動電壓蓄電部。并且,也可以具有:升降壓轉換器,一側連接在所述固定電壓蓄電部,另一側連接在所述變動電壓蓄電部,使所述變動電壓蓄電部的電壓值變動來使所述固定電壓蓄電部的電壓值升壓或降壓;以及升降壓驅動控制部,進行所述升降壓轉換器的升壓動作和降壓動作的切換控制。并且,也可以:還具備檢測所述固定電壓蓄電部的電壓值的電壓值檢測部,所述升降壓驅動控制部根據所述電壓值檢測部所檢測出的電壓值,進行升壓動作和降壓動作的切換控制。并且,也可以:所述升降壓驅動控制部根據所述回轉用電動機的運行狀態(tài),進行所述升降壓轉換器的升壓動作和降壓動作的切換控制,以使所述固定電壓蓄電部的電壓值容納在固定的范圍內。并且,也可以:所述升降壓驅動控制部將所述升降壓轉換器的升壓動作或降壓動作中的某一個切換到另一個時,設置無動作時間。并且,也可以如下:所述升降壓轉換器具有:升壓用開關元件,用于控制從所述變動電壓蓄電部向所述固定電壓蓄電部的電力的供給;降壓用開關元件,用于控制從所述固定電壓蓄電部向所述變動電壓蓄電部的電力的供給;以及電抗器,連接于所述升壓用開關元件和所述降壓用開關元件;所述升降壓驅動控制部具有:電壓控制機構,驅動控制所述升壓用開關元件或所述降壓用開關元件,以使所述第I電壓檢測部的電壓值成為電壓目標值;電流控制機構,驅動控制所述升壓用開關元件或所述降壓用開關元件,以使流通過所述電抗器的電流值成為規(guī)定的電流閾值,并且具備控制切換機構,選擇性地切換所述電壓控制機構或所述電流控制機構中的任意一個,以使所述升降壓轉換器的負荷成為規(guī)定的負荷以下。并且,也可為如下:當進行基于所述電壓控制機構的驅動控制時,若流通過所述電抗器的電流的絕對值大于所述電流閾值,則所述控制切換機構切換為基于所述電流控制機構的驅動控制。并且,也可為如下:當進行基于所述電流控制機構的驅動控制時,若所述第I電壓檢測部的電壓值恢復到電壓目標值,則所述控制切換機構切換為基于所述電壓控制機構的驅動控制。并且,也可為如下:當將所述電壓控制機構或所述電流控制機構中的某一個向另一個切換時,所述升降壓驅動控制部校正切換后的控制目標值的初始值。并且,也可以:所述升降壓驅動控制部在所述升降壓轉換器的死區(qū)區(qū)域內進行促進充放電電流的控制。并且,所述升降壓驅動控制部也可以包含如下:主控制部,運算用于驅動所述升降壓轉換器的PWM負載值,以使所述DC總線的電壓值(以下稱為DC總線電壓值)追隨目標電壓值;補償負載值運算部,在相對于所述升降壓轉換器的PWM負載值的電流值特性中的規(guī)定的低電流區(qū)域,運算用于補償所述PWM負載值的補償負載值;
合計部,進行將所述補償負載值合計到由所述主控制部所運算的PWM負載值的合計處理。并且,也可以:所述主控制部構成為,通過基于所述DC總線電壓值和所述目標電壓值的偏差的PI控制,運算所述PWM負載值,還具備置換部,在所述合計處理的啟動開始時,將包含于所述PWM負載值的積分成分值置換成比例成分值的相反數。并且,也可以:所述補償負載值運算部,運算相當于相對于所述升降壓轉換器的PWM負載值的電流值的特性中的升壓側或降壓側的拐點處的PWM負載值的負載值,作為所述補償負載值。本發(fā)明的一方面的混合式施工機械的控制方法,該混合式施工機械包含內燃機、電動發(fā)電機、由液壓驅動的操作要素、由回轉用電動機回轉驅動的回轉機構、配設在該電動發(fā)電機和該回轉用電動機之間且具備固定電壓蓄電部和變動電壓蓄電部的蓄電機構,其特征在于,該固定電壓蓄電部維持固定范圍內的電壓值,并且通過該變動電壓蓄電部,允許基于所述電動發(fā)電機的電動發(fā)電運行或基于所述回轉用電動機的電力再生運行的電壓值的變動。發(fā)明效果根據本發(fā)明,能得到如下特有效果:可提供一種抑制蓄電機構的電壓值的變動,抑制負荷的控制性的偏差及由過電流引起的負荷的驅動器的損傷等的發(fā)生的混合式施工機械及混合式施工機械的控制方法。
圖1是表示實施方式I的混合式施工機械的側視圖。圖2是表示實施方式I的混合式施工機械的結構的框圖。圖3是簡要地表示使用于實施方式I的混合式施工機械的升降壓轉換器的電路結構的圖。圖4是用控制塊表示使用于實施方式2的混合式施工機械的升降壓轉換器100的控制裝置的電路結構的圖。圖5是概念化表示由升降壓切換部切換升降壓動作時的狀態(tài)轉變的圖。圖6是時序地表示圖5表示的狀態(tài)轉變的動作說明圖。圖7是概念化表示電壓控制和電流控制的切換條件的圖。圖8是表示用于說明升壓動作中電壓控制和電流控制的切換動作的動作例的圖。圖9是表示用于說明降壓動作中的電壓控制和電流控制的切換動作的動作例的圖。圖10是表示實施方式3的混合式施工機械的升降壓轉換器的驅動控制裝置的電路結構的控制框圖。圖11是表示由實施方式3的混合式施工機械的升降壓轉換器的驅動控制裝置的補償值切換部導出的標志和升降壓轉換器的驅動區(qū)域之間的關系的圖。圖12是用于說明實施方式3的混合式施工機械的升降壓轉換器的驅動控制裝置中的、降壓時的基于死區(qū)補償功能的合計處理的原理圖,是分別以時間經過表示(a)死區(qū)補償功能的啟動開始時的處理、(b)死區(qū)補償功能的啟動結束時的處理、(c)死區(qū)補償功能的啟動中的處理的圖。圖13是用于說明實施方式3的混合式施工機械的升降壓轉換器的驅動控制裝置中的、升壓時的基于死區(qū)補償功能的合計處理的原理圖,是分別以時間經過表示(a)死區(qū)補償功能的啟動開始時的處理、(b)死區(qū)補償功能的啟動結束時的處理、(c)死區(qū)補償功能的啟動中的處理的圖。圖14是表不基于實施方式3的混合式施工機械的升降壓轉換器的基于驅動控制裝置的動作特性的一例的特性圖。圖15是表示以往的升降壓轉換器的驅動控制裝置中對PWM負載(duty)的電流的變化量的圖。圖16是表示實 施方式4的混合式施工機械的結構的框圖。符號說明I下部移動體IAUB 移動機構2回轉機構3上部回轉體4吊桿5搖臂6伊斗7吊桿液壓缸8搖臂液壓缸9鏟斗液壓缸10駕駛室11發(fā)動機12電動發(fā)電機13減速機14主泵15先導泵16高壓液壓管路17控制閥18AU8B變換器19電池21回轉用電動機22分解器23機械制動器24回轉減速機25先導管路26操作裝置
26A、26B杠桿26C踏板27液壓管路28液壓管路29壓力傳感器30控制器100升降壓轉換器101電抗器102A升壓用 IGBT102B降壓用 IGBT104電源連接端子105變 換器106輸出端子107電容器110DC 總線111DC總線電壓檢測部112電池電壓檢測部113電池電流檢測部120驅動控制部121電壓控制部122電流控制部123控制切換部124升降壓切換部125升壓用 PM126降壓用 PM201電壓控制指令生成部202電壓控制部203PWM指令計算部204PWM指令合計部205升降壓切換控制部206補償值計算部207補償值切換部
具體實施例方式以下,對于本發(fā)明的混合式施工機械及混合式施工機械及應用混合式施工機械的控制方法的實施方式進行說明。[實施方式I]圖1是表示包含實施方式I的混合式施工機械的施工機械的側視圖。在該混合式施工機械的下部移動體I通過回轉機構2搭載有上部回轉體3。并且,上部回轉體3除了吊桿4、搖臂5及鏟斗6和用于液壓驅動這些的吊桿液壓缸7、搖臂液壓缸8及鏟斗液壓缸9以外,還搭載有駕駛室10及動力源。[整體結構]圖2是表示實施方式I的混合式施工機械的結構的框圖。在該圖2中分別用雙重線表示機械性動力系統(tǒng)、用粗實線表示高壓液壓管路、用虛線表示先導管路、用實線表示電驅動/控制系統(tǒng)。作為機械式驅動部的發(fā)動機11和作為輔助驅動部的電動發(fā)電機12均連接在作為增力器的減速機13的輸入軸。并且在該減速機13的輸出軸連接有主泵14及先導泵15。主泵14通過高壓液壓管路16連接有控制閥17??刂崎y17是實施方式I的施工機械中的進行液壓系統(tǒng)的控制的控制裝置,在該控制閥17通過高壓液壓管路連接下部移動體I用的液壓馬達IA (右用)及IB (左用)、吊桿液壓缸7、搖臂液壓缸8及鏟斗液壓缸9。并且,在電動發(fā)電機12通過變換器18連接蓄電機構。該蓄電機構通過變換器18在與電動發(fā)電機12之間進行電力的交接。并且,在該蓄電機構通過變換器20連接有作為電動操作要素的回轉用電動機21。蓄電機構通過變換器20在與回轉用電動機21之間進行電力的交接。S卩,蓄電機構為了在電動發(fā)電機12及回轉用電動機21之間進行電力的交接而配設。在回轉用電動機21的旋轉軸2IA上連接分解器22、機械制動器23及回轉減速機24。并且,先導泵15通過先導管路25連接操作裝置26?;剞D用電動機21、變換器20、分解器22及回轉減速機24構成負荷驅動系統(tǒng)。操作裝置26包含杠桿26A、杠桿26B、踏板26C,在杠桿26A、杠桿26B及踏板26C通過液壓管路27及28分別連接控制閥17及壓力傳感器29。在該壓力傳感器29連接有進行實施方式I的施工機械的電系統(tǒng)的驅動控制的控制器30。這種實施方式I的施工機械是以發(fā)動機11、電動發(fā)電機12及回轉用電動機21為動力源的混合式施工機械。這些動力源搭載于如圖1所示的上部回轉體3。以下,對各部進行說明。[各部分的結構]發(fā)動機11例如為由柴油發(fā)動機構成的內燃機,其輸出軸連接于減速機13的一個輸入軸。該發(fā)動機11在施工機械的運行中總是運行。電動發(fā)電機12是可進行電動(輔助)運行及發(fā)電運行雙方的電動機即可。在此,作為電動發(fā)電機12,表示由變換器20交流驅動的電動發(fā)電機。該電動發(fā)電機12可由例如磁鐵內嵌在轉子內部的IPM(內部永磁Interior Permanent Magnetic)馬達構成。電動發(fā)電機12的旋轉軸連接到減速機13的另一個輸入軸。減速機13具有2個輸入軸和I個輸出軸。在2個輸入軸各自連接發(fā)動機11的驅動軸和發(fā)動發(fā)電機12的驅動軸。并且,在輸出軸連接主泵14的驅動軸。當發(fā)動機11的負荷大時,電動發(fā)電機12進行電動(輔助)運行,電動發(fā)電機12的驅動力經過減速機13的輸出軸傳遞到主泵14。由此,輔助發(fā)動機11的驅動。另一方面,當發(fā)動機11的負荷小時,發(fā)動機11的驅動力經過減速機13傳遞到電動發(fā)電機12,由此電動發(fā)電機12進行基于發(fā)電運行的發(fā)電。電動發(fā)電機12的電力運行和發(fā)電運行的切換,通過控制器30而根據發(fā)動機11的負荷等進行。主泵14是產生用于供給到控制閥17的液壓的泵。該液壓用于通過控制閥17分別驅動液壓馬達1A、1B、吊桿液壓缸7、搖臂液壓缸8及鏟斗液壓缸9而被供給。先導泵15是發(fā)生液壓操作系統(tǒng)所需的先導壓力的泵。關于該液壓操作系統(tǒng)的結構在之后進行敘述??刂崎y17是根據操作者的操作輸入,控制分別向通過高壓液壓管道連接的下部移動體I用的液壓馬達1A、1B、吊桿液壓缸7、搖臂液壓缸8及鏟斗液壓缸9供給的液壓,從而對這些進行液壓驅動控制的液壓控制裝置。變換器18如上述那樣設置在電動發(fā)電機12和蓄電機構之間,根據來自控制器30的指令進行電動發(fā)電機12的運行控制。由此,當變換器18運行控制電動發(fā)電機12的電力時,將需要的電力從蓄電機構供給到電動發(fā)電機12。并且,當運行控制電動發(fā)電機12的再生時,將由電動發(fā)電機12發(fā)電的電力充電到蓄電機構。另外,由電動發(fā)電機12和變換器18構成電動發(fā)電系統(tǒng)?;剞D用電動機21是可進行電力運行或再生運行雙方的電動機即可,用于驅動上部回轉體3的回轉機構2而設置。電力運行時,回轉用電動機21的旋轉驅動力的旋轉力通過減速機24而被放大、上部回轉體3被加減速控制而進行旋轉運動。并且,通過上部回轉體3的慣性旋轉,轉速通過減速機24增加而傳遞到回轉用電動機21,從而可發(fā)生再生電力。在此,作為回轉用電動機21,表示通過PWM (脈寬調制Pulse Width Modulation)控制信號由變換器20交流驅動的電動機。該回轉用電動機21例如,可由磁鐵內嵌型IPM馬達構成。由此,可以產生更大的感應電動勢,所以可以使再生時由回轉用電動機21發(fā)電的電力增大。分解器(resolver)22是檢測回轉用電動機21的旋轉軸21A的旋轉位置及旋轉角度的傳感器,構成為,通過與回轉用電動機21機械地連結來檢測回轉用電動機21的旋轉前的旋轉軸21A的旋轉位置與進行左旋轉轉或右旋轉后的旋轉位置之間的差,由此,檢測旋轉軸21A的旋轉角度及旋轉方向。通過檢測回轉用電動機21的旋轉軸21A的旋轉角度,導出回轉機構2的旋轉角度及旋轉方向。并且,圖2表示安裝了分解器22的方式,但也可以使用不具有電動機的旋轉傳感器的變換器控制方式。機械制動器23是使機械性制動力產生的制動裝置,使回轉用電動機21的旋轉軸21A機械地停止。該機械制動器23由電磁式開關來切換制動或解除。該切換通過控制器30進行。回轉減速機24是減速回轉用電動機21的旋轉軸2IA的轉速并機械地將其傳遞到回轉機構2的減速機。由此,在進行電力運行時,使回轉用電動機21的旋轉力增力而使其能夠作為更大的旋轉力傳遞到回轉體。與此相反,進行再生運行時,使回轉體產生的轉速增力口,從而可使回轉用電動機21產生更多的旋轉動作。回轉機構2能夠在回轉用電動機21的機械制動器23已解除的狀態(tài)下進行回轉,由此上部回轉體3向左方向或右方向回轉。操作裝置26是用于操作回轉用電動機21、下部移動體1、吊桿4、搖臂5及鏟斗6的操作裝置,通過混合式施工機械的操作者來操作。
該操作裝置26將經過先導管路25而被供給的液壓(I次側的液壓)轉換成符合操作者的操作量的液壓(2次側的液壓)而輸出。從操作裝置26輸出的2次側的液壓經過液壓管路27供給到控制閥17,并且通過壓力傳感器29而被檢測。若操作操作裝置26,則控制閥17經過液壓管路27而被驅動,由此控制液壓馬達ΙΑ、1B、吊桿液壓缸7、搖臂液壓缸8及伊斗液壓缸9內的液壓,從而驅動下部移動體1、吊桿
4、搖臂5及鏟斗6。另外,液壓管路27將液壓馬達IA及1B、吊桿液壓缸7、搖臂液壓缸8及鏟斗液壓缸的驅動所需要的液壓供給到控制閥。在作為回轉用操作檢測部的壓力傳感器29中,若對操作裝置26輸入用于使回轉機構2回轉的操作,則將該操作量作為液壓管路28內的液壓的變化來檢測。壓力傳感器29輸出表示液壓管路28內的液壓的電信號。由此,能準確掌握輸入到操作裝置26的用于使回轉機構2回轉的操作量。該電信號被輸入到控制器30并用于回轉用電動機21的驅動控制。并且,實施方式I中對于使用作為杠桿操作檢測部的壓力傳感器的方式進行了說明,但也可以使用直接以電信號讀取輸入到操作裝置26的用于使回轉機構2回轉的操作量的傳感器。蓄電機構連接于變換器18及變換器20。由此,該機構是如下用途的電源,即,當進行電動發(fā)電機12的電動(輔助)運行和回轉用電動機21的電力運行中的至少任意一方時,供給電動(輔助)運行或電力運行所需的電力,并且,當進行電動發(fā)電機12的發(fā)電運行和回轉用電動機21的再生運行中的至少任意一方時,將通過發(fā)電運行或再生運行產生的電力作為電能積蓄。根據蓄電機構的充電狀態(tài)、電動發(fā)電機12的運行狀態(tài)(電動(輔助)運行或發(fā)電運行)、回轉用電動機21的運行狀態(tài)、(電力運行或再生運行),通過控制器30進行該蓄電機構的充放電控制。變換器20如上述那樣設置在回轉用電動機21和蓄電機構之間,根據來自控制器30的指令對回轉用電動機21進行運行控制。由此,當變換器運行控制回轉用電動機21的電力運行時,將需要的電力從蓄電機構供給到回轉用電動機21。并且,當回轉用電動機21進行再生運行時,將由回轉用電動機21發(fā)電的電力向蓄電機構充電。在圖2表示包含回轉電動機(I臺)及變換器(I臺)的實施方式,但是,除此之外,還可以通過具備磁體機構及回轉機構部以外的驅動部,使多個電動機及多個變換器連接于蓄電機構。但是,在這種混合式施工機械中,由于反復進行如電動發(fā)電機12等的基于負荷的電力消耗和再生電力的生成,所以蓄電機構的電壓值變動大。而且,蓄電機構的電壓值的變動會產生負荷的控制性的偏差,因此回轉用電動機21的輸出有偏差,由此導致作業(yè)性降低。并且,會有帶來由過電流引起的負荷的驅動器的損傷等從而給運行持續(xù)性帶來影響的情況。因此,在本實施方式中如圖3所示,蓄電機構由作為固定電壓蓄電部的DC總線110和作為變動電壓蓄電部的電池19構成,將變換器18、20與DC總線110連接。由此,可以將供給到變換器18、20的電壓保持為容納在預先規(guī)定的固定范圍內。其結果,能抑制負荷的控制性的偏差,并能防止電動發(fā)電機12、回轉用電動機21的輸出的偏差。另外,通過變動電池19的蓄電電壓,能允許基于電動發(fā)電機12的電動發(fā)電運行或回轉用電動機31的電力再生運行的電壓值的變動。由此,可防止由過電流引起的負荷的變換器18、20中的損傷等,能提聞運行持續(xù)性。[控制器30]控制器30是進行實施方式I的混合式施工機械的驅動控制的控制裝置,包含作為進行升降壓控制的升降壓控制部的升降壓驅動控制部120,由包含CPU(中央處理器CentralProcessing Unit)及內部存儲器的運算處理裝置構成,是通過CPU執(zhí)行存儲于內部存儲器的驅動控制用的程序來實現的裝置。升降壓驅動控制部120是用于進行電動發(fā)電機12的運行控制(電動(輔助)運行或發(fā)電運行的切換)及蓄電機構的充放電控制的控制裝置。升降壓驅動控制部120根據蓄電機構的充電狀態(tài)、電動發(fā)電機12的運行狀態(tài)(電動(輔助)運行或電動運行)及回轉用電動機21的運行狀態(tài)(電力運行或再生運行)進行蓄電機構的充放電控制。圖3是使用于實施形態(tài)I的混合式施工機械的蓄電機構的詳細圖。該蓄電機構包含電池19、升降壓轉換器100及DC總線110。在DC總線110上連接有變換器105。作為固定電壓蓄電部的電池19和作為變動電壓蓄電部的DC總線110構成蓄電機構。升降壓轉換器100具備電抗器101、用于連接升壓用IGBT (絕緣柵雙極型晶體管Insulated Gate Bipolar Transistor) 102A、降壓用 IGBT102B、電池 19 的電源連接端子104及用于連接變換器105的輸出端子106。升降壓轉換器100的輸出端子106和變換器105之間由DC總線110連接。變換器105相當于變換器18、20。電抗器101的一端連接于升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B的中間點,并且,另一端連接于電源連接端子104,用于將伴隨升壓用IGBT102A的開/關產生的感應電動勢供給到DC總線9而設置。升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B由將MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)組裝在柵部的雙極晶體管構成,是能夠實現大電力的高速開關的半導體元件。升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B通過升降壓驅動控制部120對柵極端子施加PWM電壓來驅動。在升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B上并聯(lián)連接作為整流元件的二極管102a及102b。電池19是能夠通過升降壓轉換器100在其與DC總線110之間進行電力的交接的、可充放電的蓄電器即可。電源連接端子104及輸出端子106是能連接電池19及變換器105的端子即可。檢測電池電壓的電池電壓檢測部112與一對電源連接端子104并聯(lián)連接。檢測DC總線電壓的DC總線電壓檢測部111與一對輸出端子106并聯(lián)連接。電池電壓檢測部112檢測電池19的電壓值(vbat_det)、DC總線電壓檢測部111檢測DC總線110的電壓(以下,DC總線電壓:vdc_det)0電池電流檢測部113是能檢測流通至電池19的電流的值的檢測機構即可,包含電流檢測用的電阻器。該電抗器電流檢測部108檢測流通至電池19的電流值(ibat_det)。[升降壓動作]在這種升降壓轉換器100中,當升壓DC總線110時,對升壓用IGBT102A的柵極端子施加PWM電壓,通過并聯(lián)連接在降壓用IGBT102B的二極管102b對DC總線110供給隨著升壓用IGBT102A的開/關而在電抗器101產生的感應電動勢。由此,DC總線110被升壓。并且,當將DC總線110降壓時,對降壓用IGBT102B的柵極端子施加PWM電壓,通過降壓用IGBT102B、變換器105將供給的再生電力從DC總線110供給到電池19。由此,蓄積在DC總線110的電力被充電到電池19,DC總線110被降壓。另外,實際上,在升降壓驅動控制部120和升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B之間,存在生成驅動升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B的PWM信號的驅動部,但是在圖3中省略。這種驅動部能由電子電路或運算處理裝置的任意一個實現。其次,用與圖2的關系說明圖3表示的結構。電池19通過升降壓轉換器100及DC總線110連接于變換器105(變換器18及變換器20)。由此成為如下用途的電源,即,當進行電動發(fā)電機12的電動(輔助)運行和回轉用電動機21的電力運行中的至少任意一個時,供給電動(輔助)運行或電力運行所需要的電力,并且,當進行電動發(fā)電機12的發(fā)電運行和回轉用電動機21的再生運行中的至少任意一個時,將通過發(fā)電運行或再生運行而發(fā)生的電力作為電能來蓄積。DC總線110配設在變換器105(變換器18及變換器20)和升降壓轉換器100之間,構成為可在電池19、電動發(fā)電機12及回轉用電動機21之間進行電力的交接。而且,在DC總線110具備并聯(lián)地插入于升降壓轉換器100的一對輸出端子106的、平滑用電容器107。該平滑用電容器107是插入在輸出端子106的正極端子和負極端子之間且能使DC總線電壓平滑化的蓄電元件即可。DC總線電壓檢測部111是用于檢測DC總線電壓值的電壓檢測部。檢測出的DC總線電壓值被輸入到控制器30,并用于進行將該DC總線電壓值容納于一定范圍內的升壓動作和降壓動作的切換控制。由該DC總線電壓檢測部111檢測出的DC總線電壓值被輸入到升降壓驅動控制部120。電池電壓檢測部112是用于檢測電池19的電壓值的電壓檢測部,用于檢測電池的充電狀態(tài)。檢測出的電池電壓值被輸入到控制器30并,并用于進行升降壓轉換器100的升壓動作和降壓動作的切換控制而。由該電池電壓檢測部112檢測出的電池電壓值被輸入到升降壓驅動控制部120。電池電流檢測部113是用于檢測電池19的電流值的電流檢測部。電池電流值將從電池19流到升降壓轉換器100的電流作為正值檢測。檢測出的電池電流值被輸入到控制器30,并用于進行升降壓轉換器100的升壓動作和降壓動作的切換控制。由該電池電流檢測部113檢測出的電池電流值被輸入到升降壓驅動控制部120。該電池19的充放電控制根據電池19的充電狀態(tài)、電動發(fā)電機12的運行狀態(tài)(電動(輔助)運行或發(fā)電運行)、回轉用電動機21的運行狀態(tài)(電力運行或再生運行)而由升降壓轉換器100進行。該升降壓轉換器100的升壓動作和降壓動作的切換控制根據由DC總線電壓檢測部111檢測的DC總線電壓值、由電池電壓檢測部112檢測的電池電壓值及由電池電流檢測部113檢測的電池電流值而由升降壓驅動控制部120進行。升降壓轉換器100的一側通過DC總線110連接到變換器105 (變換器18及變換器20),并且其另一側連接到電池19,切換升壓或降壓以使DC總線電壓值容納在一定范圍內。具體而言,在升降壓驅動控制部120中,對比基于DC總線電壓檢測部111的DC總線電壓檢測值和DC總線的目標電壓值而計算控制指令值,并進行升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B的開關控制。當電動發(fā)電機12進行電動(輔助)運行時,需要通過變換器18對電動發(fā)電機12供給電力,因此,需要升壓DC總線電壓值。另一方面,當電動發(fā)電機12進行發(fā)電運行時,需要將發(fā)電的電力通過變換器18充電到電池19,所以需要降壓DC總線電壓值。這在回轉用電動機21的電力運行和再生運行中也同樣,此外,電動發(fā)電機12的運行狀態(tài)根據發(fā)動機11的負荷狀態(tài)被切換,回轉用電動機21的運行狀態(tài)根據上部回轉體3的回轉動作被切換,因此產生如下情況,在電動發(fā)電機12和回轉用電動機21中,某一方進行電動(輔助)運行或電力運行,而另一方進行發(fā)電運行或再生運行。因此,升降壓轉換器100根據電動發(fā)電機12和回轉用電動機21的運行狀態(tài),進行切換升壓動作和降壓動作的控制而使DC總線電壓值容納在一定的范圍內。這樣,通過在作為固定電壓蓄電部的DC總線110和作為變動電壓蓄電部的電池19之間配置升降壓轉換器110,能夠保持為,使DC總線110的電壓值容納在預先規(guī)定的一定范圍內。由此,通過使供給到變換器18、20的電壓穩(wěn)定,從而能使電動發(fā)電機12、回轉用電動機21的輸出穩(wěn)定。另外,在圖3中作為蓄電器示出了電池19,但是代替電池19,也可以將電容器、能夠充放電的二次電池或可進行電力的交接的其他形態(tài)的電源作為蓄電器使用。但是,在通常的升降壓轉換器中存在進行電壓控制的方面的課題。例如,在升降壓轉換器中,在其結構上若將升壓用開關元件和降壓用開關元件同時設為開的狀態(tài),則流過大電流而危險。另外,在進行基于電壓控制的升壓動作或降壓動作的情況下,當電動發(fā)電機等的負荷需要極大的電力時,或當極大的電力通過負荷的再生運行而被供給作為充電用時,升降壓轉換器100會成為過負荷狀態(tài),在開關元件上流過過大的電流而存在開關元件受損的憂慮。因此,在實施方式2中,通過在升降壓驅動控制部120具備電壓控制部12、電流控制部122,來切換電壓控制和電流控制,從而使升降壓轉換器100的負荷成為預先規(guī)定的負荷以下地進行切換控制。[實施方式2]圖4是用控制塊表示使用于實施方式2的混合式施工機械的升降壓轉換器100的控制裝置的電路結構的圖。如該圖所示,升降壓轉換器100的升降壓驅動控制部120具備電壓控制部121、電流控制部122、控制切換部123及升降壓切換部124。在該升降壓驅動控制部120連接電源連接端子104、輸出端子106、升壓用PM (功率模塊Power Module) 125及降壓用PM126。這些以能實現圖3所示的硬件結構的方式進行連接。即包含于升壓用PM125及降壓用PM126的升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B通過升降壓驅動控制部120而被進行PWM驅動,其結果,連接成,電池電壓Vbat ( = vbat_det)及電池電流Ibat (=ibat_det)從電源連接端子104輸出,DC總線電壓Vout (=vdc_det)從輸出端子106輸出。電壓控制部121根據目標電壓值Vout_ref和從輸出端子106輸出的DC總線電壓Vout之間的差來進行PI (比例積分Proportional Integral)控制,由此運算用于驅動控制升壓用IBGT2及降壓用IGBT102B的第I開關負載(duty)duty_v。在該第I開關負載duty_v的運算過程中,在控制部13校正電壓積分值Vout_I。對該校正的手法進行后述。電流控制部122根據電流閾值Ibat_ref和從電源連接端子104輸出的電池電流Ibat之間的差來進行PI控制,由此運算用于驅動控制升壓用IBGT2及降壓用IGBT102B的第2開關負載duty_i。在該第2開關負載duty_i的運算過程中,在控制部13校正電流積分值Ibat_I。對該校正的手法進行后述。在此,對用于驅動升壓用IGBT102A的開關負載和用于驅動降壓用IGBT102B的開關負載使用互不相同的符號以示區(qū)別。由此,分別對上述第I開關負載及上述第2開關負載,驅動升壓用IGBT102A時附加正的符號,驅動降壓用IGBT102B時附加負的符號??刂魄袚Q部123選擇性地切換電壓控制部121或電流控制部122的任一個,以使電抗器101或變換器105的負荷成為規(guī)定的負荷以下。具體而言,當進行基于電壓控制部121的驅動控制時,若在電抗器101中流通的電流的絕對值成為大于電流閾值,則切換為基于電流控制部122的驅動控制。另外,當進行基于電流控制部122驅動控制時,若輸出端子106的端子電壓值成為大于目標電壓值,則切換成基于電壓控制部121的驅動控制。這種電壓控制和電流控制之間的切換由控制切換部123的切換部123A進行。若切換部123A連接成正( + ),則進行電壓控制,若連接成負(_)則進行電流控制。并且,如上述,控制切換部123使用第2開關負載校正電壓控制部121運算的電壓積分值,并且使用第I開關負載校正電流控制部122運算的電流積分值。另外,關于校正手法在以下論述,但是電壓控制時,控制切換部123的切換部123B及123C連接到正(+ M則,電流控制時切換部123B及123C連接到負(_M則。在此,對電壓積分值Vout_I及電流積分值Ibat_I的校正進行說明。當通過電壓控制部121和電流制御部122運算電壓控制用的第I開關負載和電流控制用的第2開關負載時,通常電壓指令和電流指令不一致,因此切換電壓控制和電流控制時,供給到升壓用IGBT102A或降壓用IGBT102B負載變得不連續(xù),在實施方式I的混合式施工機械的升降壓轉換器100中,切換電壓控制部121和電流控制部122時,使用下述條件(I)及(2)校正開關負載的初始值。(I)將 Vout_I 設定為(duty_i_Vout_P)。(2)將 Ibat_I 設定為(duty_v_Ibat_P)。其中,Vout_I是由電壓控制部121運算的電壓積分值,duty_i是由電流控制部122運算的第2開關負載,Vout_P是由電壓控制部121運算的電壓比例值。并且,Ibat_I是由電流控制部122運算的電流積分值,duty_v是由電壓控制部121運算的第I開關負載,Ibat_P是由電流控制部122運算的電流比例值。如條件(I)所示,控制切換部123使用第2開關負載duty_i及電壓比例值Vout_P校正由電壓控制部121運算的電壓積分值Vout_I。并且,如條件(2)所示,控制切換部123使用第I開關負載duty_v及電流比例值Ibat_P校正由電流控制部122運算的電流積分值Ibat_Iο在電流控制狀態(tài)下,控制切換部123的切換部123A至123C都成為連接在負(_)側的狀態(tài)。在此狀態(tài)中,在切換部123A的負(-)側輸入由電流控制部122通過PI控制而生成的電流控制指令值(duty_i),從而執(zhí)行電流控制。另一方面,在切換部123A的正(+ )側,在切換部123B中成為連接到負(_)側的狀態(tài),所以duty_1-Vout_P)成為作為電壓積分值的校正值輸入的狀態(tài)。在此,若從電流控制切換到電壓控制,則控制切換部123的切換部123A至123C都從負(-)側切換到正(+ )側。由此,在切換部123B中,剛剛從負(_)側切換到正(+ )側之后的電壓積分值Vout_I被設定為(duty_i_Vout_P)。該電壓積分值Vout_I (=duty_i_Vout_P)與電壓比例值Vout_P進行加法運算,因此第I開關負載duty_v成為與在電流控制的最后得到的第2開關負載duty_i相等的值。這樣,將控制切換部123從負(_)側切換到正(+ )側時,校正切換后的電壓目標值的初始值,以使切換前的電流控制指令值(第2開關負載)的最后值與切換后的電壓控制指令值(第I開關負載)的初始值相等。由此,從電流控制向電壓控制切換時,即使切換部123A從負(_)側切換到正(+ )偵牝切換部123A的正(+ )側和負(_)側的負載還是在電流控制的最后得到的第2開關負載duty_i,所以能解除向電壓控制切換時的不連續(xù)性。并且,同樣地,若從電壓控制切換到電流控制,則在切換部123C中,剛剛從正(+ )側切換到負(_)側之后的電流積分值Ibat_I設定為(duty_v-1bat_P)。該電流積分值Ibat_I (=duty_v-1bat_P)與電流比例值Ibat_P進行加法運算,因此第2開關負載duty_i成為與在電壓控制的最后得到的第I開關負載duty_v相等的值。這樣,將控制切換部123從正(+ )側切換到負(_)側時,校正切換后的電壓目標值的初始值,以使切換前的電流控制指令值(第I開關負載)的最后值與切換后的電壓控制指令值(第2開關負載)的初始值相等。由此,從電壓控制向電流控制切換時,即使切換部123A從正(+ )側切換到負(_)偵牝切換部123A的正(+ )側和負(_)側的負載還是在電壓控制的最后得到的第I開關負載duty_v,所以能消除向電流控制切換時的不連續(xù)性。如上所述,控制切換部123通過對切換部123A進行切換,將從電壓控制部121得到的第I開關負載和從電流控制部122得到的第2開關負載中的任一項作為用于驅動升壓用PM125及降壓用PM126的驅動用負載duty_ref來選擇。該選擇通過如下實現:若電池電流Ibat超過電源供給電流閾值Ibat_ref,則切換成基于電流控制部122 (即,第2開關負載)的驅動控制,若DC總線電壓Vout恢復到輸出目標電壓值Vout_ref,則使之恢復到基于電壓控制部121 (S卩,第I開關負載)的驅動控制部。被選擇的驅動用負載dUty_ref傳遞到升降壓切換部124。另外,由于該驅動用負載duty_ref是第I開關負載或第2開關負載中的任一個,所以對升壓驅動用的驅動用負載附加正的符號,對降壓驅動用的驅動用負載附加負的符號。升降壓切換部124根據從控制切換部123傳遞的驅動用負載dUty_ref的符號,將通過該驅動用負載duty_ref驅動的功率模塊決定為升壓用PM125或降壓用PM126中的任一個。升壓用PM (Power Module)125是含有上述升壓用IGBT102A和用于驅動該升壓用IGBT102A的驅動電路及自我保護功能的功率模塊。同樣地,降壓用PM126是含有上述降壓用IGBT102B和用于驅動該降壓用IGBT102B用的驅動電路及自我保護功能的功率模塊。另外,圖4中雖然未圖示電抗器,但是從電源連接端子104輸出的電池電流Ibat是在電抗器中流通的電流。另外,如上所述,在包含于降壓用PM126的降壓用IGBT102B,從升降壓切換部124傳遞負的驅動用負載duty_ref,因此以反轉(-1倍)符號的方式而構成。圖5是概念化表示由升降壓切換部124切換升降壓動作時的狀態(tài)轉變的圖。表I表示圖5表示的狀態(tài)轉變和驅動用負載的關系。在此,為了方便說明,將模式O (Mode=O)設為運行開始之前的停止中、將模式I (Mode=I)設為升壓中、將模式2 (Mode=2)設為降壓中、將模式3 (Mode=3)設為無動作(升降壓切換之間的停止中)。[表I]
權利要求
1.一種混合式施工機械,包含內燃機、電動發(fā)電機、由液壓驅動的操作要素、用回轉用電動機回轉驅動的回轉機構, 其特征在于, 具備與所述電動發(fā)電機的變換器和所述回轉用電動機的變換器連接的蓄電機構, 該蓄電機構具備: 固定電壓蓄電部,所述固定電壓蓄電部具有配置在所述電動發(fā)電機的變換器和所述回轉用電動機的變換器之間的電容器, 電連接于該固定電壓蓄電部的升降壓轉換器,以及 電連接于該升降壓轉換器的變動電壓蓄電部, 所述升降壓轉換器將充放電的電流限制在規(guī)定的范圍內、并將所述固定電壓蓄電部的電壓維持在固定范圍內的電壓值。
2.如權利要求1所述的混合式施工機械,其特征在于,具有: 升降壓驅動控制部,進行所述升降壓轉換器的升壓動作和降壓動作的切換控制, 所述升降壓驅動控制部對配置在所述升降壓轉換器的升壓用開關元件或者降壓用開關元件進行驅動控制,以使流通過所述升降壓轉換器具有的電抗器的電流值成為規(guī)定的電流閾值。
3.如權利要求2所述的混合式施工機械,其特征在于, 所述升降壓驅動控制部進行基于所述電流閾值與所述電流檢出值的偏差的PI控制。
4.如權利要求3所述的混合式施工機械,其特征在于, 所述升降壓驅動控制部基于所述電流閾值與所述電流檢出值的偏差求出電流積分值、以及電流比例值, 根據該電流積分值、以及電流比例值計算開關負載。
5.如權利要求1至3中的任一項所述的混合式施工機械,其特征在于, 所述升降壓驅動控制部在所述升降壓轉換器的死區(qū)區(qū)域內進行促進充放電電流的控制。
6.—種混合式施工機械的控制方法,該混合式施工機械包含內燃機、電動發(fā)電機、由液壓驅動的操作要素、由回轉用電動機回轉驅動的回轉機構、配設在該電動發(fā)電機和該回轉用電動機之間且具備固定電壓蓄電部、升降壓轉換器和變動電壓蓄電部的蓄電機構, 其特征在于, 所述升降壓轉換器將充放電的電流限制在規(guī)定的范圍內、并將所述固定電壓蓄電部的電壓維持在固定范圍內的電壓值。
7.如權利要求6所述的混合式施工機械的控制方法,其特征在于,所述混合式施工機械具有: 升降壓驅動控制部,進行所述升降壓轉換器的升壓動作和降壓動作的切換控制, 所述升降壓驅動控制部對配置在所述升降壓轉換器的升壓用開關元件或者降壓用開關元件進行驅動控制,以使流通過所述升降壓轉換器具有的電抗器的電流值成為規(guī)定的電流閾值。
8.如權利要求7所述的混合式施工機械的控制方法,其特征在于, 所述升降壓驅動控制部進行基于所述電流閾值與所述電流檢出值的偏差的PI控制。
9.如權利要求8所述的混合式施工機械的控制方法,其特征在于, 所述升降壓驅動控制部基于所述電流閾值與所述電流檢出值的偏差求出電流積分值、以及電流比例值, 根據該電流積分值、以及電流比例值計算開關負載。
10.如權利要求6至8中的任一項所述的混合式施工機械的控制方法,其特征在于, 所述升降壓驅動控制部在所述升降壓轉換器的死區(qū)區(qū)域內進行促進充放電電流的控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種混合式施工機械及混合式施工機械的控制方法,該混合式施工機械包含內燃機、電動發(fā)電機、由液壓驅動的操作要素、由回轉用電動機回轉驅動的回轉機構,具備配設在所述電動發(fā)電機和所述回轉用電動機之間配設的蓄電機構,并且,該蓄電機構具備維持一定范圍內的電壓值的固定電壓蓄電部、允許基于所述電動發(fā)電機的電動發(fā)電運行或所述回轉用電動機的電力再生運行的電壓值的變動的變動電壓蓄電部。
文檔編號E02F9/20GK103174185SQ20131005476
公開日2013年6月26日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權日2007年12月26日
發(fā)明者莊野博三, 神林英明 申請人:住友重機械工業(yè)株式會社