JP2011163106A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作業状態や載荷状態に応じて大きく変化する慣性の駆動において、慣性が小さい場合にも角加速度が大きくなり過ぎず、良好な操作感覚が得られる電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】慣性体の慣性より小さい慣性を有する駆動系を介して駆動する電動機の制御装置において、作業状態あるいは載荷状態で慣性の大きさが変化する作業手段あるいは載荷手段を含み、電動機の角加速度の最大値を、電動機の出力トルクによって慣性体の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限する。
【選択図】図５

Description

本発明は、油圧ショベルの旋回や車両の走行のような、大きな慣性負荷を駆動する電動機の制御装置に関する。

油圧ショベルの旋回において、エネルギー損失の少ない電動機による電動駆動方式が採用されている。電動駆動で走行するホイールローダや電気自動車も商品化されている。電動駆動方式は、電動機を減速させるときに発電機機能として制動エネルギーを回生できるという利点もある。

しかしながら、油圧ショベルの旋回では、作業姿勢や負荷の大小に応じて旋回慣性が大きく変化するため、旋回慣性が小さい際には、旋回最大トルクで加減速を行うと角加速度が大きくなりすぎて急加速し、操作感覚が悪くなるという問題がある。

また、車両の走行では、電動機による加減速が大きすぎると、駆動輪がスリップして走行が不安定になるという問題がある。

このような問題を解消するために、慣性が変化した際の操作感覚改善を目的として、油圧ショベルの旋回電動駆動で、慣性体を作動させるときの旋回加速度を調整する手段が提案されている（例えば、特許文献１参照）。あるいは、走行車両で、駆動輪のスリップを検出して、スリップしないように、あるいは最適なスリップ率となるように駆動力を制御する手段が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−６８１９７号公報 特開２００８−１６７６２４号公報

特許文献１に記載されたものは、旋回加速度を設定する調整ボリュームを設けて、オペレータが調整ボリュームを使って好みの旋回加速度を選んで設定できるようにして、レバー操作量に応じた旋回の速度制御を行うとともに設定した加速度で加速できるようにしているので、旋回慣性が小さい場合に旋回角加速度が大きくなりすぎて操作感覚が悪くなるという問題を解決することができる。しかし、作業状態によって旋回加速度の設定を頻繁に切り換えるのは、オペレータにとって煩雑で実用的ではない。設定をいずれかの値に固定して変更しなければ、それは発明の趣旨にそぐわない訳であるが、作業状態の変化に関わらず加速度が一定になって、作業状態の変化を感じにくいという問題がある。

特許文献２に記載されたものは、走行路面と駆動輪との最大摩擦係数を取得して、スリップを生じることのない出力可能な最大駆動力を算出し、スリップを検出して、スリップの有無によって駆動力を変えて制御することにより、走行の安定性と適切な加速性を確保している。しかし、駆動輪と路面のスリップを検出するための高性能な車速センサあるいは車体加速度センサが必要になってコスト高になるという問題がある。また、スリップ率による最大摩擦係数の変化を利用して制御を行うと、スリップによって駆動輪が摩耗するという問題や、氷雪道路の発進時にスリップを許容して走行不安定を起こすという問題が生じる。

そこで、本発明の課題は、作業状態や載荷状態に応じて旋回慣性が大きく変化する油圧ショベルの旋回駆動に適用すると、旋回角加速度の設定を切り換える必要が無くて、旋回慣性が小さい場合には角加速度が大きくなり過ぎず、作業状態に応じて角加速度も変化して、良好な操作感覚が得られる電動機の制御装置を提供することである。あるいは、車両の走行駆動に適用すると、高価な車速センサや車体加速度センサを必要とせずに、駆動輪のスリップを抑制して加速や減速ができる電動機の制御装置を提供することである。

前記の課題を解決するために、本発明は、駆動される慣性体の慣性より小さい慣性を有する駆動系を介して慣性体を駆動する電動機の回転を、操作量を可変とする操作端の操作によって制御し、前記操作端の操作量を検出する操作検出手段と、前記電動機の回転を検出する回転検出手段と、前記操作検出手段と前記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とを備えた電動機の制御装置において、前記慣性体は作業状態あるいは載荷状態で慣性の大きさが変化する作業手段あるいは載荷手段を含み、前記電動機の加速あるいは減速を行う際に、前記電動機の角加速度の最大値を、前記電動機の出力トルクによって前記慣性体の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限することを特徴とする構成を採用した。

また、前記の課題を解決するために、本発明は、前記電動機の角加速度の最大値を、前記電動機の最大出力トルクによって前記慣性体の慣性の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限することを特徴とする構成を採用した。

前記電動機で駆動する慣性体は、油圧ショベルの旋回体および旋回体に搭載される作業装置からなる慣性体とすることができる。

前記電動機で駆動する慣性体は、駆動輪の摩擦で駆動力を得て走行する走行体とすることができる。

本発明の電動機の制御装置は、駆動される慣性体の慣性より小さい慣性を有する駆動系を介して慣性体を駆動する電動機の回転を、操作量を可変とする操作端の操作によって制御し、前記操作端の操作量を検出する操作検出手段と、前記電動機の回転を検出する回転検出手段と、前記操作検出手段と前記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とを備えた電動機の制御装置において、前記慣性体は作業状態あるいは載荷状態で慣性の大きさが変化する作業手段あるいは載荷手段を含み、前記電動機の加速あるいは減速を行う際に、前記電動機の角加速度の最大値を、前記電動機の出力トルクによって前記慣性体の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限することを特徴とする構成を採用することにより、油圧ショベルの旋回駆動に適用すると、作業姿勢や負荷の大小に応じて旋回慣性が小さい場合にも、旋回加速や減速の際の角加速度が大きくなりすぎず、急激な加速をせずに良好な操作感覚を得ることができるという効果がある。

車両の走行駆動に適用すると、高価な車速センサや車体加速度センサを必要とせずに、駆動輪のスリップを抑制して加速や減速ができる。駆動輪のスリップを抑制することにより、駆動輪の摩耗の低減や、氷雪道路発進時の走行不安定を防止することができるという効果がある。

また、本発明の電動機の制御装置は、前記電動機の角加速度の最大値を、前記電動機の最大出力トルクによって前記慣性体の慣性の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限することを特徴とする構成を採用することにより、油圧ショベルの旋回作動などのように、操作レバーをフル操作して電動機の最大出力トルクが短時間に出力しても、小さな旋回慣性の加速や減速の際の角加速度が大きくなりすぎず、慣性の大きさに応じて角加速度も変化して、良好な操作感覚を得ることができるという効果がある。

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３１と、下部走行体３１に図示しない旋回ベアリングで旋回自在に結合された上部旋回体３２と、この上部旋回体３２の前部に装着された掘削アタッチメント３３とから成る。掘削アタッチメント３３は、ブーム３４、アーム３５およびバケット３６と、これらを作動させるブームシリンダ３４ａ、アームシリンダ３５ａおよびバケットシリンダ３６ａを具備している。

旋回の慣性体は、上部旋回体３２と掘削アタッチメント３３、および、バケット３６内の土砂などから構成され、掘削アタッチメント３３の状態とバケット３６内の土砂などの有無や量により変化する。ブームシリンダ３４ａ、アームシリンダ３５ａ、バケットシリンダ３６ａを完全に伸張させて、かつ、バケット３６内に何も入っていない場合に、前記慣性体の慣性はほぼ最小になる。狭い場所で旋回する場合に、掘削アタッチメントが周囲の物にあたらないようにするための作業姿勢である。バケット３６が旋回半径の大きな位置にあって、内部に最大の重量物が入っていると、前記慣性体の慣性は最大になる。

上部旋回体３２には、図示しないエンジンや、エンジン駆動によって駆動される図示しない油圧ポンプなどの油圧駆動装置と、発電機５、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置７、および、図３に示すように、上部旋回体３２を旋回作動させる電動機１と減速機４１が搭載されている。減速機構の最終段では、減速機４１の図示しない出力軸ピニオンが図示しない旋回ベアリングのインターナルギヤと噛み合って最終段減速機４２を構成し、上部旋回体３２を旋回させる。減速機４１の内部のバックラッシュに比べて、最終段減速機４２の出力軸ピニオンと旋回ベアリングのインターナルギヤとの間のバックラッシュはかなり大きな値である。油圧ポンプの吐出油は、図示しない走行用油圧モータとブーム３４、アーム３５およびバケット３６の各シリンダ３４ａ、３５ａ、３６ａに、それぞれ図示しない制御弁を介して供給される。また、発電機５の電力は、図２に示すようにコンバータ６で電圧、電流が制御されて蓄電装置７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を制御して上部旋回体３２を旋回作動させるものである。

図２は、本発明に係わる前記電動機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２の操作量Ｘを検出する操作検出手段２ａと、電動機１の角速度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端２の操作量Ｘと電動機１の角速度Ｎから、電動機１の出力トルクの目標値Ｔｏを演算する演算手段としてのコントローラ３と、発電機５または蓄電装置から供給される電力に対して、電動機１の出力トルクをコントローラ３で演算された目標トルクＴｏ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。油圧ショベルの旋回の場合には操作端２は操作レバーであり、車両の走行の場合には操作端２はペダルである。

コントローラ３による演算と制御は、操作量Ｘと電動機１の角速度Ｎとに応じた電動機１のトルク制御でも良いし（例えば、ＷＯ２００８／０４１３９５）、あるいは、操作量Ｘと電動機１の角速度Ｎとに応じた電動機１の角速度制御でも良い（例えば、特開２００１−１０７８３）。インバータ４の信号変換回路４ａで目標トルク信号Ｔｏを目標電流信号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５は、本発明に係わる電動機１の出力トルクと角加速度の関係を示すグラフである。駆動系の慣性モーメントは、電動機１と減速機４１および最終段減速機４２のそれぞれの回転部分の慣性モーメントの総和である。前記慣性体の最小慣性モーメントは、前記駆動系の慣性モーメントの数倍から１０倍程度の大きさであり、前記慣性体の最大慣性モーメントは、前記慣性体の最小慣性モーメントの数倍程度の大きさである。直線Ｃは前記駆動系の慣性を加速する際の特性、直線Ｄは前記慣性体の最小慣性を加速する際の特性、直線Ｅは前記慣性体の最大慣性を加速する際の特性を示す。損失などを考慮しなければ、角加速度は慣性モーメントに反比例し加速トルクに比例するので、同一のトルクで加速する場合には、慣性モーメントが小さいほど角加速度は大きくなる。前記慣性体の加速は、油圧ショベルの作業状態などに応じて、前記直線Ｄと前記直線Ｅの間で行われる。

例えば、電動機１の出力トルクがＴ１の場合には、前記駆動系の角加速度は最終的にα１１となる。電動機１から前記駆動系が順に加速して減速機４１の内部の歯車が順にかみ合い、前記出力軸ピニオンと前記旋回ベアリングのインターナルギヤがかみ合って、その後で前記慣性体の駆動が開始される。前記慣性体の慣性が最小の場合には、角加速度α２１で加速し、前記慣性体の慣性が最大の場合には角加速度α３１で加速する。

油圧ショベルの旋回の場合には、操作レバーはフル操作する場合が多く、そうすると電動機１の出力トルクは最大値Ｔｍａｘが出力される。前記駆動系の慣性は、図３の領域をはみ出して急加速して、最終段減速機４２の出力軸ピニオンと旋回ベアリングのインターナルギヤ高速でぶつかってショックが発生する。そして、最終段減速機４２の出力軸ピニオンと旋回ベアリングのインターナルギヤがかみ合うと、前記慣性体の慣性が最小の場合には、角加速度α２ｍで加速し、前記慣性体の慣性が最大の場合には角加速度α３ｍで加速する。角速度が最大値になるまでの時間は、前記慣性体の慣性が最大の場合には数秒かかるが、前記慣性体の慣性が最小値の場合には１秒以下となって、加速が急すぎて、オペレータにとって操作感覚が悪い。

本発明では、電動機１の角加速度の最大値を、前記慣性体の慣性が最小の場合の加速特性を示す直線Ｄよりも角加速度が小さい直線Ａに制限する。直線Ａは電動機１の出力トルクに応じて比例関係に定められている。そうすると、電動機１の全ての出力トルクに対して直線Ａよりも大きな角加速度は出力されず、操作感覚が向上する。操作端２が急操作された場合にも、電動機１の最大出力トルクＴｍａｘの場合の角加速度も最大値がα０ｍに制限され、急激な加速が抑制されて操作感覚が大きく向上する。最終段減速機４２の出力軸ピニオンの加速が大幅に小さな値になるので、旋回ベアリングのインターナルギヤにぶつかる際の歯面速度が遅くなって、ショックが大幅に低減するという付帯効果も生じる。

電動機１の角加速度の最大値を、前記慣性体の慣性が最小の場合の加速特性を示す直線Ｄよりも小さい直線Ｂに制限することも可能である。直線Ｂは電動機１の出力トルクに無関係に一定の値αｂに定められていて、αｂは直線Ｄの最大角速度α２ｍよりも小さな値である。そうすると、電動機１の角加速度がαｂよりも大きくなった場合に角加速度がαｂに制限される。操作端２が急操作された場合には、電動機１の出力トルクが大きくなると角加速度の最大値がαｂに制限されて、急激な加速が無くなって操作感覚が大きく向上する。

図６に、本発明に係わる操作量Ｘと電動機１の角速度Ｎとに応じた電動機１のトルク制御を行う場合の制御フローチャートを示す。Ｓ１０１で操作量Ｘ（ｔ）を計測し、Ｓ１０２で電動機の回転速度Ｎ（ｔ）を計測する。Ｓ１０３で、計測したＸ（ｔ）とＮ（ｔ）とから、予めメモリに記憶したマップを使って電動機１の目標トルクＴｏ（ｔ）を演算する。Ｓ１０４で、時刻ｔの角速度Ｎ（ｔ）と１サンプリングタイムΔｔだけ前の時刻（ｔ−１）の角速度Ｎ（ｔ−１）とから、角加速度α（ｔ）を演算する。Ｓ１０５で、演算された角加速度が最大角加速度αｍａｘより小さいかどうかを判定する。ＹＥＳであれば、Ｓ１０７で、前段で演算されたＴｏ（ｔ）を出力する。ＮＯであれば、Ｓ１０６で、前段で演算されたＴｏ（ｔ）から予め定めた補正値ΔＴを減算してＴｏ（ｔ）を計算し直し、Ｓ１０７で出力する。ここで、最大角加速度αｍａｘは、直線Ａあるいは直線Ｂで定義されている。

図７に、本発明に係わる操作量Ｘと電動機１の角速度Ｎとに応じた電動機１の速度制御を行う場合の制御フローチャートを示す。Ｓ２０１で操作量Ｘ（ｔ）を計測し、Ｓ２０２で電動機１の回転速度Ｎ（ｔ）を計測する。Ｓ２０３で、計測したＸ（ｔ）から、予めメモリに記憶したマップを使って電動機１の目標角速度Ｎｏ（ｔ）を演算する。Ｓ２０４で、時刻ｔの角速度Ｎ（ｔ）と１サンプリングタイムΔｔだけ前の時刻（ｔ−１）の角速度Ｎ（ｔ−１）とから、角加速度α（ｔ）を演算する。Ｓ２０５で、演算された角加速度が最大角加速度αｍａｘより小さいかどうかを判定する。ＹＥＳであれば、Ｓ２０７で、前段で演算されたＮｏ（ｔ）を出力する。ＮＯであれば、Ｓ２０６で、１サンプリングタイム前の角速度Ｎ（ｔ−１）から最大角加速度αｍａｘを使って目標角速度Ｎｏ（ｔ）を計算し直し、Ｓ２０７で出力する。Ｓ２０８で角速度偏差ΔＮ（ｔ）を演算する。Ｓ２０９で、予めメモリに保存した関係式を使って、角速度偏差から目標トルクＴｏ（ｔ）を演算し、Ｓ２１０で出力する。

図４は、電動走行車両の走行駆動装置と動力伝達を示した図である。前記走行駆動装置の駆動系の慣性モーメントは、電動機１と変速機・減速機５２および駆動輪５３のそれぞれの回転部分の慣性モーメントの総和である。走行体５１に電動機１と変速機・減速機５２、駆動輪５３が搭載され、順に動力が伝達される。慣性体は、走行体５１と走行体５１に乗車する人や載荷物によって構成される（以降、それらを全て含めて走行体５１とする）。走行体５１の慣性は、前記走行駆動系の慣性よりも桁違いに大きい。駆動輪５３の回転は摩擦を介して接地面５４に伝達され、走行体５１が走行する。駆動輪の回転速度と走行体の走行速度が同一であればスリップはしていない。駆動輪がスリップして、駆動輪の回転速度と走行体の走行速度が異なるということは、駆動輪の加速に走行体の加速が追いつかないということである。走行体の加速度よりも駆動輪の加速度を小さくするか同一にすれば、駆動輪はスリップしない。

電動機１による駆動輪５３の加速は、駆動輪５３と接地面５４との摩擦がゼロとすると図５の直線Ｃとなるが、実際には摩擦があるので、直線Ｃよりも小さな角加速度となる。本発明の電動機の制御装置は、前記直線Ｃよりも小さな角加速度で、さらに、前記走行駆動系の最小慣性の角加速度である直線Ｄよりも小さな角加速度である直線Ａに沿って加速されるので、駆動輪５４がスリップする可能性が大きく減少する。

走行車両に乗車する人や載荷物の質量を、走行車両に搭載したロードセルや荷重センサで計測して、走行体１の質量を推定することができる。あるいは、実走行での電動機１の出力トルクと角加速度を計測して、走行体１の質量を推定する方法もある（特許文献２）。走行体１の質量から走行体１の慣性モーメントは演算できるので、「角加速度＝トルク÷慣性モーメント」の関係から、演算した慣性モーメントの値と同じか少し大きな値を使って直線Ａの傾きを定めることにより、より確実に駆動輪のスリップを抑制することが可能になる。

上述した実施形態では、電動機１の出力トルクによって前記慣性体の最小値を加速する角加速度以下の所定の値を、原点を通る直線Ａ、あるいは、値が一定の直線Ｂとしたが、その二つの直線の組み合わせでも良く、あるいは、複数の直線の組み合わせでも良く、あるいは、曲線でもよい。

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１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１油圧ショベルの旋回駆動系の動力伝達を示す図 電動走行車両の走行駆動系の動力伝達を示す図 本発明に係わる電動機の所定の角加速度を求めるアルゴリズムを示すグラフ 図２のコントローラ内で電動機の角加速度を所定の値以下に制限する制御のフロー図 図２のコントローラ内で電動機の角加速度を所定の値以下に制限する制御の別のフロー図

１ 電動機
１ａ 回転検出手段
２ 操作端
２ａ 操作検出手段
３ コントローラ
４ インバータ
４ａ 信号変換回路
４ｂ 電流制御回路
５ 発電機
６ コンバータ
７ 蓄電装置
３１ 下部走行体
３２ 上部旋回体
３３ 作業アタッチメント
３４ ブーム
３４ａ ブームシリンダ
３５ アーム
３５ａ アームシリンダ
３６ バケット
３６ａ バケットシリンダ
３７ コンバータ
４１ 減速機
４２ 最終段減速機
５１ 走行体
５２ 変速機・減速機
５３ 駆動輪
５４ 接地面

Claims (4)

1. 駆動される慣性体の慣性より小さい慣性を有する駆動系を介して慣性体を駆動する電動機の回転を、操作量を可変とする操作端の操作によって制御し、前記操作端の操作量を検出する操作検出手段と、前記電動機の回転を検出する回転検出手段と、前記操作検出手段と前記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とを備えた電動機の制御装置において、前記慣性体は作業状態あるいは載荷状態で慣性の大きさが変化する作業手段あるいは載荷手段を含み、前記電動機の加速あるいは減速を行う際に、前記電動機の角加速度の最大値を、前記電動機の出力トルクによって前記慣性体の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記電動機の角加速度の最大値を、前記電動機の最大出力トルクによって前記慣性体の慣性の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限す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. 前記慣性体は、建設機械の旋回体および旋回体に搭載される作業装置からなることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の電動機の制御装置。
4. 前記慣性体は、駆動輪の摩擦で駆動力を得て走行する走行体であ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。

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