JP2009232673A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単なアルゴリズムに基づく制御で、油圧駆動方式と同様の操作性と操作感覚を得ることができるとともに、電動機の回転速度が装置としての最大値以下の回転速度制限値に設定された場合に、最大トルクが出力可能でスムーズなトルク制御ができる電動機の制御装置を提供することである。
【解決手段】電動機の出力トルクが操作端の操作量と電動機の回転速度に応じて定まり、電動機のトルクと回転速度を電動機の制御装置としての最大トルク以下および最大回転速度以下に制限し、電動機回転速度を最大回転速度とは別の回転速度制限値に設定する速度制限値設定手段を設け、回転速度制限値と最大速度の比に応じて出力トルクの値を制御するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、慣性体を動作させる電動機を操作端の操作に基づいて制御する電動機の制御装置に関する。

油圧ショベル、油圧クレーンの旋回動作や、ホイールローダの走行動作を始めとして、建設機械等の大きな慣性質量を有する慣性体を動作させる駆動装置には、油圧ポンプや油圧モータを用いた油圧駆動装置が多く採用されていた。近年、油圧エネルギーを制御弁で絞り捨てるためにエネルギー損失が大きい油圧駆動装置を用いた油圧駆動方式に替えて、エネルギー損失の少ない電動機で慣性体の動作を制御する電動駆動方式が採用されつつある。電動駆動方式は、慣性体を減速させるときに、電動機を発電機として制動エネルギーを回生できる利点もある。

しかしながら、従来の油圧駆動装置を用いた油圧駆動方式は、オペレータがレバーやペダル等の操作端を操作して慣性体の動作を制御する操作性が、人間の操作感覚に適合するように操作しやすく設計されているのに対して、電動機を用いた電動駆動方式は、油圧駆動方式のような操作性と操作感覚を実現することができず、オペレータが操作し難いという問題が生じている。

すなわち、油圧駆動方式では、操作端の操作でスプール弁のブリードオフ制御絞りやメータアウト制御絞りの開口面積を制御することにより、操作端の操作量と各々の制御絞りを流れる流量によって制御絞り前後の差圧が制御される。その差圧によって油圧モータの出力トルクが制御され、スムーズな慣性体の加速と減速および停止が行われる。一方、電動駆動方式の場合は、電動機の回転速度を制御すると、出力トルクを最大値として速度制御が行われるので、慣性体の加速や減速が急峻になり、油圧駆動方式のようなスムーズな操作性が得られず、オペレータの操作感覚も油圧駆動方式とかけ離れたものとなる問題がある。

このような問題を解消するために、電動駆動方式で建設機械等の慣性体を動作させるときの操作性や操作感覚を、油圧駆動方式のものに近づける研究開発が進められ、操作性や操作感覚を油圧駆動方式のものに近づけるように、電動機の出力トルクを操作端の操作に基づいて制御するいくつかの手段が提案されている（例えば、特許文献１−２参照）。

特許文献１に記載された建設機械の駆動装置では、操作端の操作量に対して予め定められた関数関係に基づいて第１の目標トルクを算出するとともに、操作端の操作量に対して予め定められた関数関係に基づいて電動機の目標速度を算出して、この電動機の目標速度と実速度との速度偏差に対して予め定められた関数関係に基づいて第２の目標トルクを算出し、これらの第１および第２の目標トルクのうち絶対値が小さい方の目標トルクを目標値として、電動機の出力トルクを制御するようにしている。すなわち、特許文献１に記載されたものは、例えば、電動機の目標速度と実速度との速度偏差が大きくなる加速操作時には、オペレータの操作量に基づいて算出される第１の目標トルク（＜第２の目標トルク）を目標値とし、電動機の速度が増大して速度偏差が小さくなったときは、速度偏差に基づいて算出される第２の目標トルク（＜第１の目標トルク）を目標値とし、第１の目標トルクと第２の目標トルクのうち絶対値が小さい方の目標トルクを目標値として選択することにより、加速の過渡期等にオペレータの操作量通りのトルク制御特性が得られるようにしている。更に、電動機の実速度に対して予め定められた関数関係に基づいて算出した許容最大トルクを第３の目標トルクとし、第１および第２の目標トルクに第３の目標トルクも含めて、これらの目標トルクのうち絶対値が最も小さいものを目標トルクとし、電動機の過負荷を防止することも提案している。

特許文献２に記載された建設機械の旋回駆動装置では、旋回駆動指令を与えるレバー装置の入力量に応じて、擬似的に旋回駆動系が油圧ポンプ−方向制御弁−油圧モータの場合の起動トルクと制動トルクを演算し、起動トルクと制動トルクの差分を、旋回を駆動する電動機の駆動トルクとする制御手段を備えている。また、レバー装置の入力量と電動機の実回転数を入力量とし、レバー入力量−トルクテーブルと、実回転数−トルクテーブルとを備え、各テーブルより得られるトルク値の最小値を起動トルクとすることを特徴としている。以上のように構成することにより、電動機による旋回駆動装置においても油圧式駆動方式と同様な操作特性を得ることができ、オペレータの操作による旋回体の流れや急停止も防止できて安全性を向上することができるとしている。更に、出力を可変できる出力制御ダイアルを備え、出力制御ダイアルの指令値に比例して起動トルクの値を減じることにより、オペレータが指令トルクを変更できて好みの旋回動作が得ることができるようにしている。

特開２００３−０３３０６３号公報 特開２００７−２０５０３２号公報

特許文献１に記載されたものは、操作量に基づく第１の目標トルクと、電動機の速度偏差に基づく第２の目標トルクのうちの絶対値が小さいほうの目標トルクを目標値として電動機の出力トルクを制御するもので、以下に示すように、油圧駆動の場合のコントロールバルブによる制御方法とは本質的に異なっている。油圧駆動のコントロールバルブによる制御では、操作端の操作によってコントロールバルブのスプール開口面積（制御絞りの大きさ）を制御し、そのスプール開口を流れる流量に差圧を与えることによりアクチュエータの駆動圧力、あるいは、アクチュエータの制動圧力を制御する。すなわち、操作量によって決まるスプール開口面積と流量の二つの独立変数の組み合わせによってアクチュエータの駆動圧力や制動圧力が決まる訳で、いずれか一方の変数によって決まる圧力の内の低い方の圧力が選択されている訳ではない。従って、特許文献１の技術では、油圧駆動方式と同様の制御を実現することができず、その操作性や操作感覚も油圧駆動方式のものと異なるという問題がある。

特許文献２に記載されたものは、建設機械の旋回駆動装置において、旋回駆動指令を与えるレバー装置の入力量に応じて、擬似的に旋回駆動系が油圧ポンプ−方向制御弁−油圧モータの場合の起動トルクと制動トルクを演算し、起動トルクと制動トルクの差分を、旋回を駆動する電動機の駆動トルクとする制御手段を備えているので、油圧駆動と同様の制御特性を電動機駆動で実現することができる。しかし、擬似的とは言え油圧駆動の機器の特性を介して電動機駆動の制御に置き換えるために、コントロールバルブなどの油圧機器の構造の影響を受けて自由な制御設計ができず、あるいは、制御のための演算が煩雑になるという問題がある。

また、レバー装置の入力量と電動機の実回転数を入力量とし、レバー入力量−トルクテーブルと、実回転数−トルクテーブルとを備え、各テーブルより得られるトルク値の最小値を起動トルクとすることを特徴としているが、そうすると、特許文献１が有する問題と同じ理由によって、油圧駆動方式と同様の制御を実現することができず、その操作性や操作感覚も油圧駆動方式のものと異なるという問題がある。

さらに、出力制御ダイアルの指令値に比例して起動トルクの値を減じると、旋回駆動装置として必要な最大トルクが出なくなって問題である。例えば、傾斜地で作業をしている場合には、傾斜面の上り方向に旋回する力が弱くなって、作業能力が低下する。

そこで、本発明の課題は、簡単なアルゴリズムに基づく制御で、油圧駆動方式と同様の操作性と操作感覚を得ることができるとともに、電動機の速度が装置としての最大値以下の速度制限値に設定された場合に、最大トルクが出力可能であるとともにスムーズなトルク制御ができる電動機の制御装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、慣性体を動作させる電動機の回転運動を操作量を可変とする操作端の操作によって制御し、前記操作量を検出する操作検出手段と、前記電動機の回転速度を検出する回転検出手段と、これらの操作検出手段と回転検出手段の各検出値に基づいて前記電動機を制御する電動機制御手段を備えた電動機の制御装置において、前記電動機の出力トルクが前記操作量と前記回転速度に応じて定まり、前記出力トルクと前記回転速度を前記電動機の制御装置としての最大トルク以下および最大回転速度以下に制限し、前記回転速度を前記最大回転速度とは別の制限値に設定する回転速度制限値設定手段を設け、前記回転速度制限値設定手段の値が前記最大回転速度以下の回転速度制限値に設定された場合に、前記操作量と前記回転速度に応じて定まる前記出力トルクの値を、設定された前記回転速度制限値と前記最大回転速度の比に応じて制御することを特徴とする構成を採用した。

すなわち、操作端の操作量を検出する操作検出手段と、電動機の回転速度を検出する回転検出手段の各検出値に基づいて電動機を制御する電動機制御手段を備えた電動機の制御装置において、電動機の出力トルクが操作端の操作量と電動機の回転速度に応じて定まることにより、オペレータによる操作端の操作量と電動機の回転速度に見合うように電動機の出力トルクを制御することが可能となって、慣性体が油圧駆動方式のようにスムーズに動作するようにし、回転速度制限値設定手段によって電動機制御装置としての最大回転速度以下の回転速度制限値に回転速度が設定された場合にも、操作端の操作量と電動機の回転速度に応じて定まる電動機の出力トルクの値を、設定された回転速度制限値と最大回転速度の比に応じて制御することにより、回転速度の制限を行っても電動機制御装置としての最大トルクが出力可能で、かつ、レバー操作量と電動機の回転速度に応じたスムーズなトルク制御ができる。

前記操作端が前記操作量のほかに操作方向をプラスマイナス両方向に可変として、前記電動機をプラスマイナス両方向に回転させるものであり、前記操作検出手段を前記操作量と前記操作方向を検出するものとし、前記回転検出手段を前記回転速度とプラスマイナスの回転方向を検出するものとし、前記出力トルクが前記電動機によって慣性体を駆動する力行トルクと慣性体によって前記電動機が駆動される回生トルクとからなり、前記力行トルクの絶対値が、前記操作量の絶対値が大きくなると大きくなり、前記回転速度の絶対値が大きくなると小さくなることを特徴とする構成を採用することにより、ホイールローダの走行制御のように、操作端としてのペダルの操作で電動機を一方向に回転させるものだけでなく、ショベルやクレーンの旋回制御のように、操作端としてのレバーの操作で電動機をプラスマイナス両方向に回転させるものにも適用することができるとともに、油圧駆動方式におけるブリードオフ圧力の制御と同様の制御特性を持たせて、オペレータが目標とする動作速度に制御しやすくすることができる。

すなわち、図７に示すような、スプール弁５１を操作することにより油圧ポンプ５２で油圧モータ５３を駆動する油圧駆動装置では、図８に示すように、操作端の操作量が大きくなると、スプール弁５１のブリードオフ制御絞り５１ａの開口面積が小さくなり、ブリードオフ圧力Ｐ０が高くなって、油圧モータ５３の駆動トルクが大きくなるとともに、油圧モータ５３の回転速度が大きくなるほどブリードオフ流量が少なくなり、同じ操作量でブリードオフ制御絞り５１ａの開口面積が一定であっても、ブリードオフ圧力Ｐ０が低くなって駆動トルクが小さくなるように制御される。したがって、油圧モータ５３の回転速度が上昇すると駆動トルクが次第に小さくなり、駆動系の摩擦または油圧配管系統やスプール弁５１の圧損による駆動抵抗と見合う値で慣性体の加速がなくなって、オペレータが目標とする動作速度に制御される。よって、上項の特徴により、このような油圧駆動方式のブリードオフ圧力Ｐ０の制御と同様の制御特性を持たせることができる。

なお、図６に示したスプール弁５１のメータイン制御絞り５１ｂは、同一の油圧ポンプ５２で他のアクチュエータを作動させる場合に、油圧モータ５３のメータイン圧力Ｐ１を制御するためや、油圧モータ５３の駆動圧力に抵抗をつけるためのものであり、ブリードオフ圧力Ｐ０の制御によって駆動圧力すなわち駆動トルクを制御することが基本制御特性となっている。

前記回生トルクの絶対値が、前記操作量の絶対値が小さくなると大きくなり、前記回転速度の絶対値が小さくなると小さくなることを特徴とする構成を採用することにより、油圧駆動方式におけるメータアウト圧力の制御と同様の制御特性を持たせ、オペレータが目標とする動作速度に制御しやすくすることができる。

すなわち、図７に示したような油圧駆動装置では、図９に示すように、スプール弁５１のメータアウト制御絞り５１ｃは、操作端の操作量が零からある値になると開口し始めて、操作量の増加に伴って開口面積が大きくなる。この状態で操作量を小さくするように戻すと、メータアウト圧力Ｐ２が高くなり、同じ操作量でも、油圧モータ５３の回転速度が小さくなるとメータアウト制御絞り５１ｃを流れる流量が減り、メータアウト圧力Ｐ２は低くなるように制御される。したがって、油圧モータ５３のある回転速度から操作端の操作量を戻すと、回転速度が大きな時点では制動トルクが大きく、回転速度が低下するにつれて制動トルクが小さくなり、制動トルクや駆動系の摩擦が駆動トルクと見合う値で慣性体の減速がなくなって、オペレータが目標とする動作速度に制御される。よって、上記アルゴリズムを組み込むことにより、このような油圧駆動方式のメータアウト圧力Ｐ２の制御と同様の制御特性を持たせることができる。

前記操作端の操作量と前記電動機の回転速度に応じて定まる前記出力トルクが、前記操作端の操作量と前記電動機の回転速度とで一義的に定まることを特徴とする構成を採用することにより、油圧駆動方式のコントロールバルブの一本のスプールにブリードオフ制御やメータアウト制御を組み合わせた特性と同一の制御特性を持たせて、油圧駆動方式と同等の良好な操作性を実現できると共に、制御アルゴリズムが非常に簡単になるという特徴が生じる。

前記電動機で動作する慣性体は、建設機械の旋回動作あるいは走行車両の走行動作する慣性体とすることができる。

本発明の電動機の制御装置は、操作端の操作量を検出する操作検出手段と、電動機の回転速度を検出する回転検出手段の各検出値に基づいて電動機を制御する電動機制御手段とを備え、電動機の出力トルクが操作端の操作量と電動機の回転速度に応じて定まるようにすることにより、オペレータによる操作端の操作量と電動機の回転速度に見合うように電動機の出力トルクを制御することが可能となって、慣性体が油圧駆動方式のようにスムーズに動作し、回転速度制限値設定手段によって電動機制御装置としての最大回転速度以下の回転速度制限値に回転速度が設定された場合にも、操作端の操作量と電動機の回転速度に応じて定まる電動機の出力トルクの値を、設定された回転速度制限値と最大回転速度の比に応じて制御することにより、回転速度の制限を行っても電動機制御装置としての最大トルクが出力可能で、かつ、レバー操作量と電動機の回転速度に応じたスムーズなトルク制御ができる。

前記操作端が操作量のほかに操作方向をプラスマイナス両方向に可変として、前記電動機をプラスマイナス両方向に回転させるものである場合は、前記操作検出手段を前記操作端の操作量とプラスマイナスの操作方向を検出するものとし、前記回転検出手段を前記電動機の回転速度とプラスマイナスの回転方向を検出するものとし、前記目標トルクが前記電動機によって慣性体を駆動する力行トルクと前記慣性体によって電動機が駆動される回生トルクとからなり、前記力行トルクの絶対値が、前記操作端の操作量の絶対値が大きくなると大きくなり、前記電動機の回転速度の絶対値が大きくなると小さくなる演算アルゴリズムを組み込むことにより、ホイールローダの走行制御のように、操作端としてのペダルの操作で電動機を一方向に回転させるものだけでなく、ショベルやクレーンの旋回制御のように、操作端としてのレバーの操作で電動機をプラスマイナス両方向に回転させるものにも適用することができるとともに、油圧駆動方式におけるブリードオフ圧力の制御と同様の制御特性を持たせて、オペレータが目標とする動作速度に制御しやすくすることができる。

前記演算アルゴリズムに、前記回生トルクの絶対値が、前記操作端の操作量の絶対値が小さくなると大きくなり、前記電動機の回転速度の絶対値が小さくなると小さくなる演算アルゴリズムを組み込むことにより、油圧駆動方式におけるメータアウト圧力の制御と同様の制御特性を持たせて、オペレータが目標とする動作速度に制御しやすくすることができる。

前記操作端の操作量と前記電動機の回転速度に応じて定まる前記出力トルクが、前記操作端の操作量と前記電動機の回転速度とで一義的に定まることにより、油圧駆動方式のコントロールバルブの一本のスプールにブリードオフ制御やメータアウト制御を組み合わせた特性と同一の制御特性を持たせて、油圧駆動方式と同等の良好な操作性を実現できる。

上述のような電動機の制御装置を、建設機械の旋回動作または走行動作する走行車両の慣性体を駆動する電動機の制御装置として使用することで、油圧駆動方式と同様な制御特性を有した装置として非常に操作しやすい装置とすることができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明に係る電動機の制御装置を組み込んだ油圧ショベルを示す。この油圧ショベルは、クローラ式の下部走行体２０と、下部走行体２０の上で左右に旋回動作する慣性体としての上部旋回体３０と、この旋回体３０の前部に装着された掘削アタッチメント４０とから成る。下部走行体２０は、走行用油圧モータ２１と減速機２２で左右のクローラ２３が個別に駆動されて走行する。また、掘削アタッチメント４０は、ブーム４１、アーム４２およびバケット４３と、これらを作動させるブームシリンダ４１ａ、アームシリンダ４２ａおよびバケットシリンダ４３ａを具備している。

前記旋回体３０には、エンジン３１、エンジン３１によって駆動される油圧ポンプ３２と発電機３３、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置３４、および、旋回体３０を旋回動作させる電動機１と減速機３５が搭載されている。油圧ポンプ３２の吐出油は、走行用油圧モータ２１とブーム４１、アーム４２およびバケット４３の各シリンダ４１ａ、４２ａ、４３ａに、それぞれ制御弁を介して供給される。また、発電機３３の電力は、図２に示すようにコンバータ３６で電圧、電流が制御されて蓄電装置３４に蓄えられるとともに、後述するインバータ４を介して電動機１に供給される。電動機１は永久磁石を回転子とする永久磁石式モータであり、本発明に係る電動機の制御装置は、この電動機１を制御して、旋回体３０を旋回動作させるものである。

図２は、前記電動機１の制御装置の構成を示すブロック図である。この制御装置は、操作端としての操作レバー２のプラスマイナス両方向の操作量Ｘを検出する操作検出手段２ａと、電動機の回転速度制限値Ｙを設定する回転速度制限値設定手段５と、両方向に回転する電動機１のプラスマイナスの回転速度Ｎを検出する回転検出手段１ａと、これらの検出された操作レバー２の操作量Ｘと回転速度制限値Ｙおよび電動機１の回転速度Ｎから、電動機１が負担すべき目標トルクＴｏの方向と大きさを演算する演算手段としてのコントローラ３と、発電機３３または蓄電装置３４から供給される電力に対して、電動機１の出力トルクＴをコントローラ３で演算された目標トルクＴｏの方向と大きさに制御する電動機制御手段としてのインバータ４とで構成されている。

前記コントローラ３にはメモリ３ａが設けられ、油圧駆動方式の制御特性を表現するように、目標トルクＴｏを駆動トルクＴａと被駆動トルクＴｂとに分けて演算する演算アルゴリズム３ｂが、予めメモリ３ａに記憶されている。目標トルクＴｏは駆動トルクＴａと被駆動トルクＴｂの和として演算され、演算された目標トルクＴｏは、操作レバー２の操作方向と同方向に出力されるものとなる場合は力行トルクとなり、操作方向と逆方向に出力されるものとなる場合は回生トルクとなる。また、メモリ３ａには、電動機制御装置としての最大トルクと最大回転速度が記憶されている。インバータ４は、信号変換回路４ａと電流制御回路４ｂを備え、信号変換回路４ａでコントローラ３から入力される目標トルクＴｏを目標電流Ｉｏに変換し、電流制御回路４ｂで電動機１への出力電流Ｉを目標電流Ｉｏとするようにフィードバック制御する。

図３は、前記演算アルゴリズム３ｂで目標トルクＴｏを演算する基本マップを示す。この基本マップは、横軸を操作レバー２のプラスマイナスの操作量Ｘ、縦軸を目標トルクＴｏとし、これらの関係を、電動機１のプラスマイナスの回転速度Ｎをパラメータとした特性曲線で表したものであり、操作量Ｘと目標トルクＴｏが同符号となる第１象限と第３象限では、目標トルクＴｏが力行トルクとなり、操作量Ｘと目標トルクＴｏが異符号となる第２象限と第４象限では、目標トルクＴｏが回生トルクとなる。すなわち、第１象限では右旋回力行、第２象限では左旋回回生、第３象限では左旋回力行、第４象限では右旋回回生となる。なお、図３のグラフでは、マップを見やすくするために、パラメータの回転速度Ｎを無次元数としてＮ＝０、１／２、１（最大速度）の場合についてのみ、各特性曲線を表示している。

前記基本マップの第１象限と第３象限では、力行トルクとなる目標トルクＴｏの絶対値が、操作レバー２の操作量Ｘの絶対値が大きくなると大きくなり、操作量Ｘが一定であっても、電動機１の回転速度Ｎの絶対値が大きくなると小さくなるように演算され、油圧駆動方式のブリードオフ圧力の制御と同様の制御特性が得られるようになっている。また、基本マップの第２象限と第４象限では、回生トルクとなる目標トルクＴｏの絶対値が、操作量Ｘの絶対値が小さくなると大きくなり、操作量Ｘが一定であっても、回転速度Ｎの絶対値が小さくなると小さくなるように演算され、油圧駆動方式におけるメータアウト圧力の制御と同様の制御特性が得られるようになっている。

さらに、図３に示した基本マップでは、操作量Ｘが零を含む中立範囲のときと、操作レバー２の操作方向と電動機１の回転方向が逆方向のときに、力行トルクが零、回生トルクの絶対値が最大値Ｔｍａｘに設定されている。したがって、例えば、第４象限の状態で回転速度Ｎ＝１／２（Ｑ１点）のときに、図中に矢印で示すように、操作レバー２の操作量ＸをＸ１から−Ｘ２へ電動機１の回転方向と逆方向に操作すると、回転速度Ｎが零になるまでの間、回生トルクがＴｍａｘで出力されて右旋回が減速され、回転速度Ｎが零になると、第３象限で操作量Ｘを−Ｘ２としたときの回転速度Ｎ＝０（Ｑ２点）に相当する力行トルクが出力されて、旋回体３０を左旋回させるように加速開始する。なお、この実施形態では、力行トルクの絶対値も、回生トルクと同じ最大値Ｔｍａｘに設定されている。

図４は、前記演算アルゴリズム３ｂで目標トルクＴｏを演算する基本マップを、図３とは別の見方で表現したものである。すなわち、この基本マップは、横軸を電動機１のプラスマイナスの回転速度Ｎ、縦軸を目標トルクＴｏとして、これらの関係を、操作レバー２の操作量Ｘをパラメータとして表現した特性曲線である。目標トルクＴｏが操作端の操作量Ｘと前記電動機の回転速度の絶対値Ｎで一義的に定まるので、Ｔｏ＝ｆ（Ｘ，Ｎ）として示される所定の関係式を、Ｎをパラメータとして図３のように、あるいはＸをパラメータとして図４のように、いずれの図のようにも表現することができる。図４では、第１象限から第４象限の内の第１象限と第４象限のみを示しており、第１象限では右旋回力行、第４象限では右旋回回生となる。パラメータの操作量Ｘは、０から最大操作量の間を１から５の段階でのみ示している。目標トルクの最大値は絶対値でＴｍａｘ、回転速度の最大値は絶対値でＮｍａｘである。力行では電動機出力で動力の最大値が制限されて、最大速度の時に最大トルクは出力されない。第１象限では、力行トルクとなる目標トルクＴｏの絶対値が、操作レバー２の操作量Ｘの絶対値が大きくなると大きくなり、操作量Ｘが一定であっても、電動機１の回転速度Ｎの絶対値が大きくなると小さくなっている。第４象限では、回生トルクとなる目標トルクＴｏの絶対値が、操作量Ｘの絶対値が小さくなると大きくなり、操作量Ｘが一定であっても、回転速度Ｎの絶対値が小さくなると小さくなっている。

図５は、回転速度制限値設定手段の値が前記最大速度以下の回転速度制限値に設定された場合に、設定された回転速度制限値Ｙと最大回転速度Ｎｍａｘの比：Ｙ／Ｎｍａｘ（＝α）に応じて目標トルクＴｏの大きさが変わることを表している。図４の操作量Ｘが０、１、２、３、４、５、最大の場合の特性曲線が、図５に示すように、Ｎ軸方向にグラフを縮めたように変化する。回転速度比αに応じて、目標トルクＴｏが小さくなる方向に特性曲線がシフトすることで、同じレバー操作量Ｘでも回転速度Ｎの上昇による目標トルクＴｏの低下比率が大きくなって、オペレータのレバー操作によってスムーズなトルク制御ができる。そして、電動機制御装置の最大トルクが出力可能であり、電動機速度を制限することによる弊害が生じない。速度比αに応じた図５のようなマップをメモリ３ａにいくつか持ってもよいし、回転速度比αを含む目標トルクの計算式を作ってメモリ３ａに記憶しておいてもよい。回転速度制限値Ｙに応じて演算に使用するマップあるいは計算式を選択する。図４では、力行で電動機出力の最大値が制限されていたが、図５ではその電動機出力に至らないので、電動機出力の最大値は制限されていない。

図６は、図３で右旋回となる第１象限と第４象限について、目標トルクＴｏを実線で示す駆動トルクＴａと、点線で示す被駆動トルクＴｂとに分解して示したものである。駆動トルクＴａは油圧モータのメータイン圧力によるトルクに相当し、被駆動トルクＴｂは油圧モータのメータアウト圧力によるトルクに相当する。第１象限における駆動トルクＴａの絶対値は、操作量Ｘの絶対値が大きくなると大きくなり、操作量Ｘが一定であっても、回転速度Ｎの絶対値が大きくなると小さくなるように演算され、最大値Ｔａｍａｘが設定されている。また、第４象限における被駆動トルクＴｂの絶対値は、操作量Ｘの絶対値が小さくなると大きくなり、操作量Ｘが一定であっても、回転速度Ｎの絶対値が小さくなると小さくなるように演算され、操作量Ｘが零を含む中立範囲と、操作レバー２の操作方向と電動機１の回転方向が逆方向となる第３象限では、最大値Ｔｂｍａｘに設定されるようになっている。図３の第１象限と第４象限に示した目標トルクＴｏは、このように演算された駆動トルクＴａと被駆動トルクＴｂの和として求めたものである。図示は省略するが、左旋回となる図３の第２象限と第３象限における目標トルクＴｏも、同様に演算された駆動トルクＴａと被駆動トルクＴｂの和として求めたものである。

上述した実施形態では、発電機と蓄電装置を電力源として、油圧ショベルの上部旋回体を左右に旋回動作させる電動機を制御するものとしたが、本発明に係る電動機の制御装置は、例えば、ホイールローダや自動車のような走行車両を走行動作させるもののように、慣性体の運動方向によって電動機の回転速度と出力トルクが異なった特性を有する電動機を制御するものにも適用できる。また、電動機の電力源も発電機や蓄電装置に限定されることはなく、例えば、工場等に定置される装置の慣性体を動作させる電動機を制御する場合は、電力会社等から供給される電力を電力源とすることができる。

さらに、上述した実施形態では、駆動トルクと被駆動トルクの演算アルゴリズムを、マップで表現した特性曲線としてコントローラに記憶するようにしたが、駆動トルクと被駆動トルクの演算アルゴリズムは、操作端の操作量と電動機の回転速度をパラメータとする数式として記憶するようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態では、電動機の回転速度制限値設定手段を独立の手段として説明したが、電動機制御装置を搭載する機械の運転パターンや動作パターンの切換などと連動して機能するようにしてもよい。

本発明に係る電動機の制御装置を組み込んだ油圧ショベルを示す側面図 図２の油圧ショベルに組み込まれた電動機の制御装置の構成を示すブロック図 図２の演算アルゴリズムの基本マップを示すグラフ 図２の演算アルゴリズムの基本マップを示す図３とは別表現のグラフ 回転速度制限値が設定された場合の演算アルゴリズムのマップを示すグラフ 図３のグラフの第１象限と第４象限における目標トルクを駆動トルクと被駆動トルクとに分解して示すグラフ 従来の油圧駆動装置の油圧回路図 図７の油圧駆動装置におけるブリードオフ圧力の制御特性を示すグラフ 図７の油圧駆動装置におけるメータアウト圧力の制御特性を示すグラフ

符号の説明

１ 電動機
１ａ 回転検出手段
２ 操作レバー
２ａ 操作検出手段
３ コントローラ
３ａ メモリ
３ｂ 演算アルゴリズム
４ インバータ
４ａ 信号変換回路
４ｂ 電流制御回路
５ 回転速度制限値設定手段
２０ 走行体
２１ 走行油圧モータ
２２ 減速機
３０ 旋回体
３１ エンジン
３２ 油圧ポンプ
３３ 発電機
３４ 蓄電装置
３５ 減速機
３６ コンバータ
４０ 掘削アタッチメント
４１ ブーム
４１ａ ブームシリンダ
４２ アーム
４２ａ アームシリンダ
４３ バケット
４３ａ バケットシリンダ

Claims (5)

1. 慣性体を動作させる電動機の回転運動を操作量を可変とする操作端の操作によって制御し、前記操作量を検出する操作検出手段と、前記電動機の回転速度を検出する回転検出手段と、これらの操作検出手段と回転検出手段の各検出値に基づいて前記電動機を制御する電動機制御手段を備えた電動機の制御装置において、前記電動機の出力トルクが前記操作量と前記回転速度に応じて定まり、前記出力トルクと前記回転速度を前記電動機の制御装置としての最大トルク以下および最大回転速度以下に制限し、前記回転速度を前記最大回転速度とは別の制限値に設定する回転速度制限値設定手段を設け、前記回転速度制限値設定手段の値が前記最大回転速度以下の回転速度制限値に設定された場合に、前記操作量と前記回転速度に応じて定まる前記出力トルクの値を、設定された前記回転速度制限値と前記最大回転速度の比に応じて制御することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記操作端が前記操作量のほかに操作方向をプラスマイナス両方向に可変として、前記電動機をプラスマイナス両方向に回転させるものであり、前記操作検出手段を前記操作量と前記操作方向を検出するものとし、前記回転検出手段を前記回転速度とプラスマイナスの回転方向を検出するものとし、前記出力トルクが前記電動機によって慣性体を駆動する力行トルクと慣性体によって前記電動機が駆動される回生トルクとからなり、前記力行トルクの絶対値が、前記操作量の絶対値が大きくなると大きくなり、前記回転速度の絶対値が大きくなると小さくなることを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
3. 前記回生トルクの絶対値が、前記操作量の絶対値が小さくなると大きくなり、前記回転速度の絶対値が小さくなると小さくなることを特徴とする請求項２に記載の電動機の制御装置。
4. 前記操作量と前記回転速度に応じて定まる前記出力トルクが、前記操作量と前記回転速度とで一義的に定まることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電動機の制御装置。
5. 前記電動機で動作する慣性体を、建設機械の旋回動作あるいは走行車両の走行動作する慣性体としたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電動機の制御装置。

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