JP4481136B2

JP4481136B2 - 建設機械の旋回制御装置

Info

Publication number: JP4481136B2
Application number: JP2004294161A
Authority: JP
Inventors: 隆久保; 寛石山; 公則佐野
Original assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: JP2006104811A

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。

メカニカルブレーキを解除する前にダイナミックブレーキをかけて上部旋回体の逆回転を防止する構成もあるが、通常ダイナミックブレーキはリレー等の機械式スイッチによって作動するため、リレーの作動遅れにより上部旋回体が逆回転することもある。

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電動機の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永久磁石式同期電動機と、該永久磁石式同期電動機を制御するインバータと、電動機の電流を検出する電流検出器と、上部旋回体の旋回速度を検出する速度検出手段と、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において、インバータの出力部を構成する上アームまたは下アームの何れか一方のトランジスタを全てオンとした状態で電動機の電流を計測して上部旋回体に作用する負荷トルクを演算するコントローラを備えた建設機械の旋回制御装置。
を提供する。

この構成によれば、コントローラの制御により、インバータの出力部を構成する上アームのトランジスタを全てオンして下アームのトランジスタを全てオフするか、或いは、下アームのトランジスタを全てオンして上アームのトランジスタを全てオフすれば、永久磁石式同期電動機の入力が短絡されてダイナミックブレーキが働き、該永久磁石式同期電動機を回転させようとする外力に対抗するトルクが発生する。この状態で電動機の電流を計測し、計測した電流に基づいてコントローラは上部旋回体に作用する負荷トルクを演算する。

請求項２記載の発明は、上部旋回体を旋回駆動する永久磁石式同期電動機と、該永久磁石式同期電動機を制御するインバータと、電動機の電流を検出する電流建設器と、上部旋回体の旋回速度を検出する速度検出手段と、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において、上部旋回体の停止位置を保持するメカニカルブレーキが作動しているときに、旋回操作手段により旋回操作が行われると、メカニカルブレーキを解除する前に、インバータの出力部を構成する上アームまたは下アームの何れか一方のトランジスタを全てオンとし、その後、メカニカルブレーキを解除して、このときの電動機の電流を計測して上部旋回体に作用する負荷トルクを演算し、更に、該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コントローラを備えた建設機械の旋回制御装置を提供する。

この構成によれば、メカニカルブレーキが作動して上部旋回体の停止位置を保持しているときに旋回操作手段により旋回操作が行われた場合は、メカニカルブレーキを解除する前に、コントローラの制御により、インバータの出力部を構成する上アームのトランジスタを全てオンして下アームのトランジスタを全てオフするか、或いは、下アームのトランジスタを全てオンして上アームのトランジスタを全てオフすれば、永久磁石同期式電動機の入力が短絡されてダイナミックブレーキが働く。この状態でメカニカルブレーキを解除すれば、該永久磁石式同期電動機には回転させようとする外力に対抗するトルクが発生する。このときの電動機の電流を計測し、計測した電流に基づいてコントローラは上部旋回体に作用する負荷トルクを演算する。更に、該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インバータを制御する。

請求項１記載の発明は、インバータの出力部を構成する上アームまたは下アームの何れか一方のトランジスタを全てオンとした状態で電動機の電流を計測して上部旋回体に作用する負荷トルクを演算するコントローラを備えたので、コントローラがインバータを制御して永久磁石式同期電動機の入力を短絡したときの電流から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。従って、旋回起動時は前記負荷トルクに基づいて電動機を駆動すれば、トルク不足が発生する虞はない。

請求項２記載の発明は、上部旋回体の停止位置を保持するメカニカルブレーキが作動しているときに、旋回操作手段により旋回操作が行われると、メカニカルブレーキを解除する前に、インバータの出力部を構成する上アームまたは下アームの何れか一方のトランジスタを全てオンとした後、メカニカルブレーキを解除する。このとき、ダイナミックブレーキが働き、電動機には上部旋回体に作用する負荷トルクに対抗する発生する。また、該電動機の電流を計測して負荷トルクを演算し、該負荷トルクに対抗するトルク分を付加して旋回を開始することができる。従って、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場合であっても、電動機のトルク不足で上部旋回体が逆回転するのを防止することができる。

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電動機のトルク不足で逆回転するのを防止するという目的を、電動機を制御するためのインバータの出力部を構成する上アームまたは下アームの何れか一方のトランジスタを全てオンとした状態で電動機の電流を計測して上部旋回体に作用する負荷トルクを演算するコントローラを備え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にはインバータ３０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。

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２１が設けられ、コントローラ５０の制御によりメカニカルブレーキ２１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。該電動機１４の回転速度は速度検出器２３にて検出されてコントローラ５０へ入力される。

また、電動機１４とインバータ３０は、第１入力配線２３ａと第２入力配線２３ｂと第３入力配線２３ｃによって接続され、各入力配線には電動機１４の電流を検出する電流検出器２４ａ，２４ｂ，２４ｃが設けられ、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各電流を検出してインバータ３０に検出電流が入力される。

そして、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５０に入力される。

図３はインバータ３０の出力部の回路図であり、陽極側配線３１には第１並列配線３２ａと第２並列配線３２ｂと第３並列配線３２ｃとが接続され、第１並列配線３２ａを第１入力配線２３ａに接続し、第２並列配線３２ｂを第２入力配線２３ｂに接続し、第３並列配線３２ｃを第３入力配線２３ｃに接続する。これらの配線により所謂上アームが構成される。上アームの第１並列配線３２ａにはトランジスタＴ１とダイオードＤ１が並列に設けられ、第２並列配線３２ｂにはトランジスタＴ２とダイオードＤ２が並列に設けられ、第３並列配線３２ｃにはトランジスタＴ３とダイオードＤ３が並列に設けられいる。

一方、陰極側配線３３には第４並列配線３４ａと第５並列配線３４ｂと第６並列配線３４ｃとが接続され、第４並列配線３４ａを第１入力配線２３ａに接続し、第５並列配線３４ｂを第２入力配線２３ｂに接続し、第６並列配線３４ｃを第３入力配線２３ｃに接続する。これらの配線により所謂下アームが構成される。下アームの第４並列配線３４ａにはトランジスタＴ４とダイオードＤ４が並列に設けられ、第５並列配線３４ｂにはトランジスタＴ５とダイオードＤ５が並列に設けられ、第６並列配線３４ｃにはトランジスタＴ６とダイオードＤ６が並列に設けられいる。

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。コントローラ５０、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５０の制御により、インバータ３０の出力部を構成する上アームのトランジスタＴ１〜Ｔ３を全てオンし、且つ、下アームのトランジスタＴ４〜Ｔ６を全てオフする。或いは、インバータ３０の出力部を構成する下アームのトランジスタＴ４〜Ｔ６を全てオンし、且つ、上アームのトランジスタＴ１〜Ｔ３を全てオフしてもよい。

このように、上アームまたは下アームの何れか一方のトランジスタを全てオンすれば、電動機１４の入力端子が短絡されてダイナミックブレーキがかかり、電動機１４を回そうとする外力に対抗するトルクが発生する。例えば、上アームのトランジスタＴ１〜Ｔ３を全てオンし、且つ、下アームのトランジスタＴ４〜Ｔ６を全てオフとしたときに、電動機１４に外部から負荷トルクが作用した場合は、図３の破線矢印に示すように、第１並列配線３２ａから第１入力配線２３ａの方向と、第２並列配線３２ｂから第２入力配線２３ｂの方向と、第３入力配線２３ｃから第３並列配線３２ｃの方向へ、夫々電流が流れる。

夫々の電流を前記電流検出器２４ａ，２４ｂ，２４ｃにて検出し、コントローラ５０はこの計測された電流値に基づいて上部旋回体１３に作用する負荷トルクを演算する。そして、旋回起動時は、この負荷トルクに対抗する電動機トルクを前記電動機１４に発生させつつ、メカニカルブレーキ２１を解除して上部旋回体１３の旋回を開始することにより、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５０はメカニカルブレーキ２１を解除する前に、前記インバータ３０の出力部を構成する上アームまたは下アームの何れか一方のトランジスタを全てオンして電動機１４の入力を短絡し、該電動機１４の電流を計測して旋回にかかる負荷トルクを演算する。

そして、該負荷トルクに対抗する電動機トルクを前記電動機１４に発生させるようにインバータ３０を制御するとともに、メカニカルブレーキ２１を解除して上部旋回体１３の旋回を開始する。従って、メカニカルブレーキ２１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。図２に示すインバータの出力部の回路図。

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メカニカルブレーキ
２３ａ〜２３ｃ第１〜第３入力配線
２４ａ〜２４ｃ電流検出器
３０インバータ
３１陽極側配線
３２ａ〜３２ｃ第１〜第３並列配線
３３陰極側配線
３４ａ〜３４ｃ第４〜第６並列配線
Ｔ１〜Ｔ６トランジスタ
Ｄ１〜Ｄ６ダイオード
５０コントローラ

Claims

上部旋回体を旋回駆動する永久磁石式同期電動機と、該永久磁石式同期電動機を制御するインバータと、電動機の電流を検出する電流検出器と、上部旋回体の旋回速度を検出する速度検出手段と、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において、
インバータの出力部を構成する上アームまたは下アームの何れか一方のトランジスタを全てオンとした状態で電動機の電流を計測して上部旋回体に作用する負荷トルクを演算するコントローラを備えたことを特徴とする建設機械の旋回制御装置。
上部旋回体を旋回駆動する永久磁石式同期電動機と、該永久磁石式同期電動機を制御するインバータと、電動機の電流を検出する電流検出器と、上部旋回体の旋回速度を検出する速度検出手段と、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において、
上部旋回体の停止位置を保持するメカニカルブレーキが作動しているときに、旋回操作手段により旋回操作が行われると、メカニカルブレーキを解除する前に、インバータの出力部を構成する上アームまたは下アームの何れか一方のトランジスタを全てオンとし、その後、メカニカルブレーキを解除して、このときの電動機の電流を計測して上部旋回体に作用する負荷トルクを演算し、更に、該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コントローラを備えたことを特徴とする建設機械の旋回制御装置。