JP2014159735A - Shovel control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、走行部と旋回部と作業部からなり、各部の駆動源を電動式として操作性および応答性を向上させると共に、走行部と旋回部と作業部の駆動源の内の1つ以上を電動発電機とし、制動時のエネルギーを回生電力として回収して省エネルギー化を達成するようにした電動ショベルに関するものである。 The present invention includes a traveling unit, a turning unit, and a working unit. The drive source of each unit is electrically operated to improve operability and responsiveness, and at least one of the driving sources of the traveling unit, the turning unit, and the working unit. This is an electric excavator in which the motor generator is used and the energy at the time of braking is recovered as regenerative power to achieve energy saving.
従来のパワーショベルは、図4、図5に示す構成を備えていた。 Conventional power shovels have the configurations shown in FIGS.
まず、図4について説明する。従来のパワーショベルの全体は、旋回部49と走行部48と作業部50よりなる。作業部50は、ブーム、アーム、バケットを駆動する油圧シリンダー44を有する。旋回部49はエンジン40からなる動力源を含みポンプ41、コントロールバルブ42、油圧旋回モータ43およびセンタージョイント45からなる主要油圧回路を有する。走行部48は油圧走行モータ46を有する。
First, FIG. 4 will be described. The entire conventional excavator includes a turning portion 49, a traveling portion 48, and a working
以下、従来のパワーショベルを詳述する。 Hereinafter, a conventional power shovel will be described in detail.
エンジン40で油圧回路のポンプ41を駆動し、このポンプ41で発生した油圧で、コントロールバルブ42を介して、作業部駆動用シリンダー44、旋回モータ43および走行モータ46を駆動していた。
The
油圧系を図5に示す。この系を示す油圧回路は、エンジン40にカップリングした油圧ポンプ41から直接コントロールバルブ42に連結し、コントロールバルブ42から油圧シリンダー44に給排出する回路、油圧旋回モータ43に給排出する回路、油圧走行モータ46に給排出する回路が接続された回路になっていた。この回路では、圧力源である油圧ポンプ41に対し、負荷を構成する各種油圧モータ43、46及び油圧シリンダー44等のアクチュエータの複数対象同時制御を行っていた。また、油圧系は駆動力を発生する必要性から高圧回路部分を有していた。なお、47は作動油タンクである。
The hydraulic system is shown in FIG. A hydraulic circuit showing this system is directly connected to a
しかしながら、上記した従来のパワーショベルの油圧回路は、メンテナンス、騒音、省エネルギー、多機能性、接続部からの油漏れ、油の膨張伸縮特性に基づく応答性の悪さ、制御および切換の衝撃による制御の困難さ、複数負荷同時制御時のポンプ流量圧の不十分さなどに基づく操作性の悪さ、制御の高度化の困難性の問題点があると共に、減速時、リリーフ又はオリフィスにより油圧を熱として捨て、また、低圧側の排出油のエネルギーを無駄にしていた。 However, the hydraulic circuit of the above-described conventional excavator has maintenance, noise, energy saving, multi-functionality, oil leakage from the connection part, poor responsiveness based on oil expansion and contraction characteristics, control and control by switching impact. Difficult to operate, poor operability based on insufficient pump flow pressure during simultaneous control of multiple loads, and difficulty in upgrading control, and discards hydraulic pressure as heat by relief or orifice during deceleration Also, the energy of the discharged oil on the low pressure side was wasted.
本発明は、上記状況に鑑みて、構造が簡単で、多機能性、高度な制御性、低騒音、メンテナンスの容易性、応答性の良い制御が可能になるとともに、省エネルギー化を達成した電動ショベルを提供することを目的としている。 In view of the above situation, the present invention is an electric excavator that has a simple structure, multi-functionality, advanced controllability, low noise, easy maintenance, good response, and energy saving. The purpose is to provide.
本発明の実施例に係るショベルの制御方法は、走行部、旋回部、伸縮動作機構を有する作業部を備え、該旋回部に備えられたエンジンの回転により発電機にて発生させた電力を用いて旋回動作を行うように旋回用電動発電機へ給電を行うショベルの制御方法であって、操作指令と旋回角度検出センサの検出値とに基づいて処理プログラムによる演算を実行し、該演算結果により前記旋回用電動発電機を制御する。 A method for controlling an excavator according to an embodiment of the present invention includes a traveling unit, a turning unit, and a working unit having a telescopic operation mechanism, and uses electric power generated by a generator by rotation of an engine provided in the turning unit. The control method of the excavator for supplying power to the turning motor generator so as to perform turning operation is performed by executing a calculation by a processing program based on the operation command and the detection value of the turning angle detection sensor, and by the calculation result The turning motor generator is controlled.
本発明によれば、流体の特性により制約があった制御を、電動発電機およびそれらの制御手段により、エネルギー損失の少ない制御に置き換えることができる。 According to the present invention, the control limited by the characteristics of the fluid can be replaced with the control with less energy loss by the motor generator and their control means.
本発明の走行部と旋回部と作業部からなる電動ショベルは、前記旋回部に備えられたエンジンと、このエンジンと機械的に接続された状態で前記旋回部に備えられ、このエンジンの動力を電気エネルギーへ変換する発電機と、この発電機と電気的に接続された状態で前記旋回部に備えられ、この発電機で発生させた電気エネルギーを蓄えるバッテリと、前記旋回部に備えられ、前記発電機とともに発電装置を構成する変換装置(インバータ)と、前記旋回部に備えられ、処理プログラムが記憶されるとともに、操作入力装置からの操作指令、及び、各種センサからのデータに基づき前記処理プログラムによって演算を行う制御装置とを有する。 An electric excavator comprising a traveling unit, a turning unit, and a working unit of the present invention is provided in the turning unit in a state mechanically connected to the engine provided in the turning unit, and the power of the engine A generator for converting into electrical energy, provided in the swivel unit in a state of being electrically connected to the generator, a battery for storing electric energy generated by the generator, provided in the swivel unit, A conversion device (inverter) that constitutes a power generation device together with a generator, and a processing program that is provided in the turning unit and that stores a processing program, and that is based on an operation command from an operation input device and data from various sensors. And a control device for performing the calculation.
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings illustrating embodiments thereof.
図1は本発明の実施例を示す電動ショベルの模式図、図2はその電動ショベルにおける電力供給系ブロック図である。 FIG. 1 is a schematic diagram of an electric excavator showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram of a power supply system in the electric excavator.
これらの図において、Aは走行部、Bは旋回部、Cは作業部である。また、1はエンジンであり、その回転数を発電電力との関係で制御できるようになっている。2は発電装置であり、基本的には、発電機単体か又はそれと変換装置とからなる。特に、バッテリ3の充電および各電動発電機等の急変負荷および長時間稼働に対応するために、低圧大電流を発生する発電機単体か、又は、高電圧発電機と電流変換器とからなる装置として構成することが好ましい。バッテリ3は、発電装置2から各電動発電機等への給電が不足したとき、又は発電装置2のバックアップのために設けられている。
In these drawings, A is a traveling part, B is a turning part, and C is a working part. Reference numeral 1 denotes an engine which can control the rotational speed in relation to the generated power.
4は電力コントローラであり、発電装置2で発生させた電力をバッテリ3に充電し、また、回生発電しない状況では、負荷となる作業用電動発電機7、旋回用電動発電機6、走行用電動発電機5に発電装置2およびバッテリ3の電力を適切に給電制御し、また、急激に負荷が大きくなった電動発電機等に対し、発電装置2の発電電力を増加又は減少するように給電制御する。その際、負荷の緊急性を判断して発電装置2の電力をバッテリ3へ給電せず、特定の負荷のみに給電するように制御することもできる。
An electric power controller 4 charges the battery 3 with the electric power generated by the
この電力コントローラ4での各電動発電機等の制御態様はトルクを重視したもの、回転精度を重視したもの等種々ある。例えば、交流機の場合、コンバータ、インバータを用いた位相制御、周波数制御、パルス幅制御等が予定され、精度良く制御できるようになる。 There are various control modes of the motor generators and the like in the power controller 4 such as those that place importance on torque and those that place importance on rotation accuracy. For example, in the case of an AC machine, phase control, frequency control, pulse width control, and the like using a converter and an inverter are scheduled, and can be controlled with high accuracy.
走行用電動発電機5は、電動機として動作させるときは、ショベルに負荷がかかった状態でも走行可能となるように、トルクが比較的大きく、始動特性が良好な電動発電機となっていて、そのための制御回路も備えている。従来の油圧モータでは、自動変速機構付でも2速走行であったが、電動発電機では無段変速にできるため、操作性能および走行性能が良好になる。発電機として動作させるときは、ロータコイルの回転に対して遅れ位相となるようにステータコイルに回転磁界を発生させるように通電制御する。このとき、回生電力を発生するとともに制動動作を行なう。
When the
旋回用電動発電機6は、旋回動作中は電動機として動作し、旋回終了動作時は電磁ブレーキ作用を奏する発電機として動作して回生発電し、発生した電力は電力コントローラ4を介してバッテリ3に充電される。電動発電機を用いることにより、ブレーキ動作により回生発電でき、また、微妙な制御ができるようになる。 The turning motor generator 6 operates as a motor during the turning operation, and operates as a generator having an electromagnetic brake action during the turning end operation to generate regenerative power. The generated electric power is supplied to the battery 3 via the power controller 4. Charged. By using the motor generator, regenerative power generation can be performed by brake operation, and delicate control can be performed.
作業用電動発電機7は、具体的には、回生機能付き電動発電シリンダーにより構成し、上記したような回生発電機能を有するものであればよく、油圧系でのピストン・シリンダーのように伸縮動作ができる機構の駆動源である。前記伸縮動作機構としては、たとえば、ボールネジとボールナットからなり、ボールネジには一方の係止部をベアリング支持すると共に歯車機構を介して電動機として連結し、ボールナットには他方の係止部を固定することで基本的に構成できる。その他、電動機として回転運動を直線運動である伸縮動作に変換する変換機構であれば基本的にどのようなものであっても適用できる。
Specifically, the working
図3は、コンソールのパネルに設けられる、この電動ショベルシステムの制御系ブロック図である。 FIG. 3 is a control system block diagram of the electric excavator system provided on the panel of the console.
この図において、制御装置10は、CPU、メモリ、入出力ポートをバスで接続した構成になっている。入力ポートには、エンジンの回転数を検出する回転数検出センサ13、発電装置2およびバッテリ3の出力電圧、電流を検出する電圧・電流検出センサ14、伸縮動作機構の伸縮状態での長さ、角度等を検出する伸縮検出センサ15、ショベルに掛かる土砂等の荷重を検出する荷重検出センサ16、台車に対する旋回装置の旋回角度等を検出する旋回角度検出センサ17、走行スピード検出センサ18等からなる各種のセンサと、操作レバーおよびキーボード等の操作入力装置11が接続されている。
In this figure, the control device 10 has a configuration in which a CPU, memory, and input / output ports are connected by a bus. The input port includes a rotation
一方、出力ポートには、電力コントローラ4、エンジンの回転数制御を行うエンジン制御装置19、モニター装置12が接続されている。
On the other hand, the power controller 4, the
電力コントローラ4には、その制御対象として、前述したように、発電装置2、作業用電動発電機7、旋回用電動発電機6、走行用電動発電機5、バッテリ3が接続されている。制御装置10のメモリには、必要な処理プログラムがマイクロプログラムとして記憶されている。
As described above, the power controller 4 is connected to the power controller 4, the
操作者は、主に操作入力装置11からの入力データにより、各種センサ13〜18の出力データを取り込みメモリに記憶すると共に処理プログラムを実行し、モニター装置12に表示させながら、操作入力装置11を操作して、電力コントローラ4並びに各種制御対象を制御する。なお、マニュアルの設定をすれば、レバー操作で自由に作業を行うこともできる。
(動作態様)
(旋回系)
制御装置10は、操作入力装置11からの操作指令に基づき、各種センサからのデータを入力し、特に、荷重検出センサ16のデータを基に、土砂等の負荷が軽いときは旋回速度を速くし、重いときは遅くするように演算する。これは、旋回時の慣性力を制御可能な一定範囲内に抑えるように制御しているためである。
The operator mainly captures the output data of the
(Mode of operation)
(Swivel system)
The control device 10 inputs data from various sensors based on the operation command from the
更に、制御装置10は上記演算結果を電力コントローラ4に出力し、旋回用電動発電機6を所定のスピードの範囲内に制御する。旋回終了時に制動をかけるときは、今までの慣性力により回転を続けようとするモータ軸に設けたロータコイルの回転に対して遅れた位相となる回転磁界を発生するようにステータコイルを通電制御し、ステータコイルに誘導起電力を発生させる。このようにステータコイルに誘導起電力を発生させた状態でも、モータ軸に連結されたロータを回転させると、電動機軸に制動力が作用するようになる。 Further, the control device 10 outputs the calculation result to the power controller 4 to control the turning motor generator 6 within a predetermined speed range. When braking is applied at the end of turning, energization control of the stator coil is performed so that a rotating magnetic field having a phase delayed from the rotation of the rotor coil provided on the motor shaft that continues to rotate due to the inertial force is generated. Then, an induced electromotive force is generated in the stator coil. Even when the induced electromotive force is generated in the stator coil as described above, when the rotor connected to the motor shaft is rotated, a braking force is applied to the motor shaft.
この誘導起電力は、回生電力としてバッテリ3等に給電される。その際、制御装置10は、旋回終了直前の所定時間間隔での旋回角度検出センサ17のデータと荷重検出センサ16のデータとを基に、制動荷重およびその制動荷重を発生するための電流位相を演算し、その演算結果を電力コントローラ4に出力し、旋回用電動発電機6を発電機として機能させて制動をかける。この結果、慣性力の大きさの程度に応じて電流位相を変えることによって制動荷重を変えることができ、さらには電流位相に応じて発電電力を変えることができる。これにより、油圧の代わりに電動発電機を用いたので、作動油を不要にでき、環境に対する負荷を軽減できる。また、従来の油圧駆動では困難であったエネルギーの回生が電動発電機の使用により実現することで省エネルギー化が達成できるだけでなく、流体の特性により制約のあった複数アクチュエータの同時制御が、電動発電機の使用により可能となったことで、操作性が向上する。また、大きな騒音源であった管路の流体通過音を抑制できることで、騒音を低減することができる。
(作業系)
制御装置10は、操作入力装置11からの操作入力に基づいて、作業用電動発電機7を電動機として機能させ、荷重検出センサ16のデータを取り込み、作業系で処理可能な荷重か否かを判断し、処理可能と判断されたときは、前記荷重データを基に作業用電動発電機7への供給電流を演算し、その演算データを電力コントローラ4に出力して作業用発電電動機7を駆動する。初期トルクを大きくしたいときは、駆動電流を大きく制御する。
This induced electromotive force is fed to the battery 3 or the like as regenerative power. At that time, the control device 10 determines the braking load and the current phase for generating the braking load based on the data of the turning angle detection sensor 17 and the data of the
(Working system)
Based on an operation input from the
例えば、インバータのデューティ比制御などにより制御する。この系は、伸縮検出センサ15と制御装置10と作業用電動発電機7によってフィードバック系を構成している。作業用電動発電機7を発電機として機能させるときは、上記旋回用電動発電機6と同じ発電機としての動作原理に基づいて回生制動させると共に回生発電する。これにより、油圧の代わりに電動発電機を用いたので、作動油を不要にでき、環境に対する負荷を軽減できる。また、従来の油圧駆動では困難であったエネルギーの回生が電動発電機の使用により実現することで省エネルギー化が達成できるだけでなく、流体の特性により制約のあった複数アクチュエータの同時制御が、電動発電機の使用により可能となったことで、操作性が向上する。また、大きな騒音源であった管路の流体通過音を抑制できることで、騒音を低減することができる。
(走行系)
制御装置10は、操作入力装置11からの操作入力に基づいて、走行用電動発電機5を電動機として機能させ、走行スピード検出センサ18のデータを取り込み、操作入力と検出データとの偏差に基づいて走行用電動発電機5への供給電流を演算し、その演算結果を電力コントローラ4に出力して走行用電動発電機5を制御する。供給電流を連続的に増減することによって、走行スピードを無段階に連続的に変えることができる。発電機として機能させるときは、上記と同じく回生制動と回生発電を行なわせる。
(発電装置・バッテリ)
制御装置10は、バッテリ3の電圧・電流検出センサ14の検出データを取り込み、電圧または電流が所定範囲よりも低下しているときは、エンジン制御装置19へ指令を出して発電装置2を駆動し、発生した発電電力を電力コントローラ4を介してバッテリ3に充電する。この系もフィードバック系を構成する。
(他の実施の態様)
図1及び図2における発電装置とエンジンからなる電源装置を、商用電源(交流電源)と変換器の組み合わせ又は燃料電池、付随的に太陽電池とすることができる。
For example, control is performed by duty ratio control of the inverter. In this system, the expansion /
(Travel system)
Based on the operation input from the
(Power generation device / battery)
The control device 10 takes in the detection data of the voltage /
(Other embodiments)
1 and 2 can be a combination of a commercial power source (AC power source) and a converter, a fuel cell, or a solar cell incidentally.
このようにすると、エンジン音の発生およびエンジンの回転歪みによる出力変動を抑制できる。また、電動発電機に電磁クラッチ、電磁ブレーキを設けることもできる。そうすれば、確実な制動および静止位置の保持が可能になる。 In this way, output fluctuations due to engine noise and engine rotational distortion can be suppressed. Moreover, an electromagnetic clutch and an electromagnetic brake can be provided in the motor generator. As a result, it is possible to reliably brake and maintain the stationary position.
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said Example, Based on the meaning of this invention, a various deformation | transformation is possible and these are not excluded from the scope of the present invention.
本発明の電動ショベルは、各部の駆動源の応答性を向上すると共に、省エネルギー化を達成する電動ショベルとして利用可能である。 The electric excavator of the present invention can be used as an electric excavator that improves the responsiveness of the drive source of each part and achieves energy saving.
A 走行部
B 旋回部
C 作業部
1 エンジン
2 発電装置
3 バッテリ
4 電力コントローラ
5 走行用電動発電機
6 旋回用電動発電機
7 作業用電動発電機
10 制御装置
11 操作入力装置
12 モニター装置
13 回転数検出センサ
14 電圧・電流検出センサ
15 伸縮検出センサ
16 荷重検出センサ
17 旋回角度検出センサ
18 走行スピード検出センサ
19 エンジン制御装置
A traveling part B turning part C working part 1
Claims (6)
操作指令と旋回角度検出センサの検出値とに基づいて処理プログラムによる演算を実行し、
該演算結果により前記旋回用電動発電機を制御するショベルの制御方法。 Provided with a traveling unit, a turning unit, and a working unit having a telescopic operation mechanism, to a turning motor generator so as to perform a turning operation using electric power generated by a generator by rotation of an engine provided in the turning unit A method for controlling an excavator that supplies power,
Based on the operation command and the detection value of the turning angle detection sensor, the calculation by the processing program is executed,
A shovel control method for controlling the turning motor generator based on the calculation result.
該第1の検出センサが検出したデータと前記操作指令と前記検出値とに基づいて前記処理プログラムによる演算を実行し、
該演算結果により前記旋回用電動発電機を制御する請求項1乃至3の何れか一項に記載のショベルの制御方法。 The excavator is provided with a first detection sensor for detecting a load,
Based on the data detected by the first detection sensor, the operation command, and the detection value, the calculation by the processing program is executed,
The shovel control method according to any one of claims 1 to 3, wherein the turning motor generator is controlled based on the calculation result.
該第2の検出センサが検出したデータと前記操作指令と前記検出値とに基づいて前記処理プログラムによる演算を実行し、
該演算結果により前記旋回用電動発電機を制御する請求項1乃至4の何れか一項に記載のショベルの制御方法。 The excavator is provided with a second detection sensor for detecting an expansion / contraction state of the expansion / contraction operation mechanism,
Based on the data detected by the second detection sensor, the operation command, and the detection value, the calculation by the processing program is executed,
The shovel control method according to any one of claims 1 to 4, wherein the turning motor generator is controlled based on the calculation result.
該回転数検出センサが検出した回転数検出値に基づいて、前記エンジンを回転数制御する請求項1乃至5の何れか一項に記載のショベルの制御方法。 The excavator is provided with a rotation speed detection sensor for detecting rotation of the engine,
The shovel control method according to any one of claims 1 to 5, wherein the engine speed is controlled based on a rotation speed detection value detected by the rotation speed detection sensor.
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