JP4455253B2 - 建設機械の旋回制御装置 - Google Patents

Description

本発明は建設機械の旋回制御装置に関するものであり、特に、上部旋回体を旋回駆動する電動機と上部旋回体の停止位置を保持するメカニカルブレーキとを備えた建設機械の旋回制御装置に関するものである。

従来、ショベルやクレーン等の旋回式建設機械では、油圧ポンプからの吐出油によって回転する油圧モータを上部旋回体の旋回駆動源とする油圧モータ旋回駆動方式が一般的に広く知られている。この油圧モータ旋回駆動方式では、油圧ポンプと油圧モータの間に設けられたコントロールバルブにより、圧油の方向や流量等を制御して油圧モータの作動方向や速度等を変更している。しかし、この方式では、油圧エネルギーをコントロールバルブで切り捨てる量が多く、エネルギー損失が大きいという不具合がある。

これに対して、電動機を上部旋回体の旋回駆動源とする電動機旋回駆動方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。この電動機旋回駆動方式では、電動機の回転方向と速度を変えることにより上部旋回体の旋回方向と旋回速度を制御するものであり、油圧モータ駆動方式と比べてエネルギー効率を大きく改善することができる。

ここで、上部旋回体の旋回停止手段としては、前述した油圧モータ旋回駆動方式の場合は、操作レバーの中立位置でコントロールバルブが油路を遮断し、油圧モータの回転を停止させてブレーキ力を発生させる。

一方、電動機旋回駆動方式の場合は、操作レバーの中立位置で電動機への通電が遮断され、電動機に駆動力も制動力も作用しなくなるので、慣性のみが働くフリー状態となる。このため、旋回停止時に上部旋回体を旋回停止位置に保持するためのメカニカルブレーキを備えるとともに、旋回起動時にサーボロック制御により電動機を速度０に保持した後にメカニカルブレーキを解除するような旋回制御装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−２８９９８３号公報 特開２００１−１０７８３号公報

従来の電動機旋回駆動方式の場合は、操作レバーの中立位置ではメカニカルブレーキが作動して上部旋回体を旋回停止位置に保持するが、例えば、建設機械が傾斜地で上り傾斜に向かって旋回するときには、メカニカルブレーキを作動させた状態で電動機をサーボロック制御にて速度０に保持し、メカニカルブレーキを解除して旋回起動するが、メカニカルブレーキを解除したときに電動機のトルク不足により上部旋回体が逆方向へ回転してしまう虞がある。

そこで、上部旋回体の旋回起動時に、メカニカルブレーキを解除した途端にトルク不足で逆回転するのを防止するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、上部旋回体を旋回駆動する電動機と、上部旋回体の停止位置を保持するメカニカルブレーキを備えた建設機械であって、上部旋回体に作用する負荷トルクを検出して該負荷トルクに対抗する電動機トルクを演算する制御手段を設け、前記メカニカルブレーキを解除する前に、前記負荷トルクに対抗する電動機トルクを前記電動機に発生させるように構成した建設機械の旋回制御装置において、上記制御手段は、上記電動機を永久磁石式同期電動機とし、電動機の入力端子を短絡・開放するスイッチと、電動機の入力電流を検出する電流検出器と、電動機を制御するインバータと、インバータを制御するコントローラとを備えて成る建設機械の旋回制御装置を提供する。

この構成によれば、制御手段は、予め上部旋回体に作用する負荷トルクを検出し、この検出された負荷トルクに対抗する電動機トルクを演算する。そして、上部旋回体の旋回起動時には、制御手段は、メカニカルブレーキを解除する前に、前記演算された負荷トルクに対抗する電動機トルクを前記電動機に発生させるように制御する。

この構成によれば、上記制御手段は、電動機の入力端子をスイッチで短絡し、電動機の回転による誘起電圧によってブレーキトルクを発生させ、負荷トルクに対抗させることができる。また、このときのトルクは電流検出器の検出値によって、演算が可能となる。

請求項２記載の発明は、上記制御手段は、電動機の入力端子を短絡してメカニカルブレーキを解除したときの電動機の入力電流から負荷トルクを演算するように構成した請求項１記載の建設機械の旋回制御装置を提供する。

この構成によれば、電動機の入力端子をスイッチで短絡し、電動機の回転による誘起電圧によってブレーキトルクを発生させ、負荷トルクに対抗させ、このときの電流検出器の検出値から上部旋回体に作用する負荷トルクが演算できる。

請求項１記載の発明は、上部旋回体に作用する負荷トルクを検出して該負荷トルクに対抗する電動機トルクを演算する制御手段を設け、前記メカニカルブレーキを解除する前に、前記負荷トルクに対抗する電動機トルクを前記電動機に発生させるように構成したので、制御手段が予め上部旋回体に作用する負荷トルクを検出し、この負荷トルクに対抗する電動機トルクを演算して、上部旋回体の旋回起動時は、メカニカルブレーキを解除する前に、前記演算された負荷トルクに対抗する電動機トルクを前記電動機に発生させることにより、メカニカルブレーキを解除しても電動機がトルク不足で逆回転することを防止できる。

この発明は、制御手段は、電動機を永久磁石式同期電動機とし、電動機の入力端子を短絡・開放するスイッチと、電動機の入力電流を検出する電流検出器と、電動機を制御するインバータと、インバータを制御するコントローラとを備えているので、上記効果に加えて、電動機の入力端子をスイッチにて短絡し、且つ、コントローラがメカニカルブレーキを解除したときに、電流検出器が検出した電動機の入力電流からコントローラが電動機トルク即ち上部旋回体に作用する負荷トルクを演算することができる。

請求項２記載の発明は、制御手段は、電動機の入力端子を短絡してメカニカルブレーキを解除したときの電動機の入力電流から負荷トルクを演算するように構成したので、請求項１記載の発明の効果に加えて、上部旋回体にかかる荷重を推定することができ、メカニカルブレーキを解除した場合における荷重に対向するトルクが発生されて、上部旋回体の逆回転を防止できる。

以下、本発明に係る建設機械の旋回制御装置について、好適な実施例をあげて説明する。上部旋回体の旋回起動時に、メカニカルブレーキを解除した途端にトルク不足で逆回転するのを防止するという目的を、上部旋回体に作用する負荷トルクを検出して該負荷トルクに対抗する電動機トルクを演算する制御手段を設け、前記メカニカルブレーキを解除する前に、前記負荷トルクに対抗する電動機トルクを前記電動機に発生させるように構成したことにより実現した。

図１は建設機械の一例として油圧ショベル１０を示し、下部走行体１１の上に旋回機構１２を介して上部旋回体１３が旋回自在に載置されている。旋回機構１２は上部旋回体１３に設けられた旋回用の電動機１４と、該電動機１４の回転を減速する減速機１５と、下部走行体１１に固設されたリングギヤ１６と、このリングギヤ１６に噛合して前記電動機１４により回転するピニオンギヤ（図示せず）等から構成されている。

前記上部旋回体１３の前方一側部にはキャブ１７が設けられ、且つ、前方中央部にブーム１８が俯仰可能に取り付けられている。更に、ブーム１８の先端にアーム１９が上下回動自在に取り付けられ、該アーム１９の先端にバケット２０が取り付けられている。

図２は本発明に係る旋回制御装置のブロック図であり、上部旋回体１３を旋回駆動する電動機１４として、本実施の形態では永久磁石式同期電動機（ＰＭモータ）を使用するものとする。永久磁石式同期電動機はインバータで駆動することにより高効率の駆動量が得られ、小型且つ軽量であるため建設機械等の車両への搭載が容易であるという利点を有している。この電動機１４には、制御手段の一部であるインバータ２１を介して、発電機またはバッテリ（何れも図示せず）の電力が供給される。

また、電動機１４とインバータ２１との間には、コントローラ３０の制御によって電動機１４の各入力端子を短絡・開放するスイッチ２３ａ，２３ｂが設けられている。また、電動機１４の入力電流を検出する電流検出器２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗが設けられ、夫々Ｕ相電流，Ｖ相電流，Ｗ相電流を検出してインバータ２１に検出電流が入力される。

前述の制御手段は、前記インバータ２１と、スイッチ２３ａ，２３ｂと、電流検出器２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗと、コントローラ３０とを備えている。

前記電動機１４には、機械的ブレーキ力を発生させるメカニカルブレーキ２２が設けられ、コントローラ３０の制御によりメカニカルブレーキ２２を解除した状態で電動機１４へ通電すれば、該電動機１４が回転してその回転力が減速機（図１に図示）を介して上部旋回体１３に伝達され、上部旋回体１３が左または右へ旋回する。

また、旋回操作手段として旋回用の操作レバー２５が設けられ、例えばポテンショメータ等が内蔵されている。該操作レバー２５を左右何れかへ操作すれば、その操作量に応じた指令信号が前記コントローラ３０に入力される。

次に、本発明に係る旋回制御装置における制御手順について説明する。制御手段は、予め上部旋回体１３に作用する負荷トルクを検出し、この検出された負荷トルクに対抗する電動機トルクを演算する。負荷トルクを検出するには、例えば、コントローラ３０の制御により、前記スイッチ２３ａ，２３ｂをオンして電動機１４の入力端子を短絡するとともに、メカニカルブレーキ２２を解除し、このとき、電流検出器２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗで電動機１４の入力電流を検出する。検出されたＵ相電流，Ｖ相電流，Ｗ相電流はインバータ２１に入力され、この検出電流からコントローラ３０が電動機トルク即ち上部旋回体１３に作用する負荷トルクを演算する。

このように、メカニカルブレーキ２２を解除したときの電動機１４の入力電流から負荷トルクを演算するので、上部旋回体１３にかかる荷重を推定することができ、この荷重に対抗する電動機トルクを前記電動機１４に発生させてトルク不足による逆回転を防止することができる。

而して、当該油圧ショベル１０が、例えば傾斜地で上り傾斜に向かって旋回する場合、前記操作レバー２５で上部旋回体１３の旋回起動を開始する際に、コントローラ３０はメカニカルブレーキ２２を解除する前に、前記演算された負荷トルクに対抗する電動機トルクを発生させるようにインバータ２１を制御する。従って、メカニカルブレーキ２２を解除したときに、電動機１４は前記負荷トルクに対抗する電動トルクで駆動されるため、上部旋回体１３の逆回転を防止することができる。

尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明が適用された油圧ショベルの側面図。 本発明に係る旋回制御装置のブロック図。

符号の説明

１０ 油圧ショベル
１２ 旋回機構
１３ 上部旋回体
１４ 電動機
２１ インバータ
２２ メカニカルブレーキ
２３ａ，２３ｂ スイッチ
２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗ 電流検出器
３０ コントローラ

Claims (2)

1. 上部旋回体を旋回駆動する電動機と、上部旋回体の停止位置を保持するメカニカルブレーキを備えた建設機械であって、
   上部旋回体に作用する負荷トルクを検出して該負荷トルクに対抗する電動機トルクを演算する制御手段を設け、前記メカニカルブレーキを解除する前に、前記負荷トルクに対抗する電動機トルクを前記電動機に発生させるように構成した建設機械の旋回制御装置において、
   上記制御手段は、上記電動機を永久磁石式同期電動機とし、電動機の入力端子を短絡・開放するスイッチと、電動機の入力電流を検出する電流検出器と、電動機を制御するインバータと、インバータを制御するコントローラとを備えて成ること
   を特徴とする建設機械の旋回制御装置。
2. 上記制御手段は、電動機の入力端子を短絡してメカニカルブレーキを解除したときの電動機の入力電流から負荷トルクを演算するように構成したことを
   特徴とする請求項１記載の建設機械の旋回制御装置。

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