JP4704725B2 - 建設機械の旋回制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、下部走行体の上に載置された上部旋回体を電動機によって旋回駆動する建設機械の旋回制御装置に関するものである。

従来、建設機械においては、エンジンによって油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプの吐出油によってアクチュエータを駆動する油圧駆動方式を採用していた。しかし、油圧駆動方式は１個の油圧ポンプから吐出される圧油によって複数個のアクチュエータを駆動制御しており、これらの複数個のアクチュエータの各々を駆動制御できるように高い吐出圧が設定されている。従って、軽負荷しか作用していないアクチュエータの制御の場合には未だ高圧の帰還油が油タンクに解放されるために油圧エネルギーが浪費されるという問題があった。

そこで、最近、駆動源として電動機を用いる電動機駆動方式が提案されるに至っている。電動機駆動方式では、特許文献１に開示されているように、使用する電動機ごとにインバータを接続して、その電動機に合わせた電源となるようにインバータを制御している。従って、軽負荷しか作用しないアクチュエータには小出力の電源を構成し、重負荷が作用するアクチュエータには大出力の電源を構成すればよい。しかし、油圧ショベル等の建設機械の上部旋回体の旋回制御においては旋回操作のみの軽負荷の場合と掘削作業でバケットを押し付けながら旋回する重負荷の場合とがあり、しかも、従来の油圧回路の場合と同様な作業感覚を維持したいという要望から、軽負荷の場合には速度制御方式を採用し、重負荷の場合にはトルク制御方式を採用している。これらの制御方式を自動的に切り替えるためには、軽負荷作業と重負荷作業とを識別する必要がある。
特開２００３−８２７０７（電動建設機械及び電動ショベル）

特許文献２（以下、従来装置２という。）には押し付け作業時にはフィードバック速度制御に代えてトルク制御を行うようにした技術が開示されている。これによれば、操作レバーの操作量に応じて動き出し位置と旋回速度の目標値とトルク目標値を規定すると共に、旋回速度の実際値を検出し、旋回速度の目標値と旋回速度の実際値との偏差を求めてフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を行う。この結果、操作量が動き出し位置を越えて、しかも旋回速度の実際値が閾値よりも小さいときは押し付け作業と判断して制御方式が切り替わり、トルク目標値によるトルク制御を行う。なお、閾値はゼロに近い微小値として設定されている。
特開２００３−３２８３９８（作業機械の旋回制御装置）

従来装置２では、旋回速度の実際値がほぼゼロの場合にトルク目標値によるトルク制御が行われ、旋回速度が閾値を越えている場合はフィードバック制御が行われる。しかし、旋回速度が閾値を僅かに越えた場合にもフィードバック制御を行うと、この場合の制御トルクがトルク目標値を大きく超える場合も生じ、トルク目標値の規定の仕方が困難になるだけでなく、場合によってはトルク目標値の規定自体が無意味なものになってしまい、制御が不安定になるという問題がある。

また、特許文献３（以下、従来装置３という。）にも電動機駆動方式による制御方法が記載されている。この文献によれば（特に図４参照）、トルク制御の場合の加速トルク、制動トルクが操作手段の操作量に応じて規定されている。即ち、操作量のゼロ点から立上点（Ｓ）までの区間では加速トルクはゼロで、立上点を越えた区間では加速トルクは増加し、その後の最終区間では最大加速トルクになっている。一方、制動トルクは操作量がゼロのときを含む前半領域では最大制動トルクになり、後半領域では最大操作量から中間位置に戻すときに操作量の減少に応じてゼロから最大制動トルクに増加するように設定されている。
特開２００１−１０７８３（旋回式作業機械の旋回制御装置）

従来装置３では、操作量の後半領域において、最大操作量から中間位置に戻すときに制動トルクが最大制動トルクよりも小さな制動トルクとなっているために、中間位置に戻すまでに制動トルクが不足して制御性が悪くなる恐れがあり、問題である。

上記したように、速度制御をしている際に制御トルクがトルク目標値を大きく超える場合も生じたり、また、最大操作量から戻したときに制動が十分になされない状態が生じる可能性もあり、課題であった。

本発明は、上記事実に鑑みてなされたものであり、旋回体の速度制御とトルク制御を上手く調和させた旋回制御方式を実現することを課題とする。

本発明は上記の課題を解決するための手段として以下の構成を採用している。即ち、請求項１に記載の発明は、

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、を特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、を特徴としている。

以上説明したように、本発明の旋回制御装置によれば、目標速度と制限トルクを操作量に応じて規定し、目標速度を基準としたフィードバック制御を行うと共に加速または制動トルクが制限トルク以上になる場合は制限トルクになるように構成したので、フィードバック制御によって過大な加速トルク、減速トルクが作用することがなく、かつ、重負荷が作用する場合には自動的にトルク制御に切り替わり円滑な制御が可能になるという効果が得られる。また、制動トルクの制限は常に最大としたので制動時の制御性がよくなるという効果が得られる。

以下本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる建設機械の旋回制御装置の全体構成図を示す。図１において、電動機１１は、例えば、回転子に永久磁石を利用した三相同期電動機で構成する。同期電動機１１の目標回転速度（無負荷状態の回転速度）は印加する三相交流電源の周波数によって決定され、実回転速度（負荷状態の回転速度）は負荷トルクと入力電力によって定まる。即ち、入力電力の電圧（最大値または実効値）を一定にすれば、出力トルクは入力電流によって制御できる。一方、三相交流電源の周波数はインバータ１２の周波数と同一である。なお、電動機１１は三相同期電動機に限られず、単相同期電動機または誘導電動機であってもよい。

電動機１１の出力軸１１ａは減速機２１に接続され、減速機２１の出力軸２１ａが上部旋回体２２に接続されている。また、電動機１１の出力軸１１ａにはメカニカルブレーキ２３が設けられていると共に、電動機１１の回転速度を検出する速度検出器２４が設けられている。速度検出器２４は、例えばロータリエンコーダを利用したセンサーで構成してもよい。なお、上部旋回体２２の旋回速度は速度検出器２４の検出結果（電動機１１の回転数の測定値）に減速機２１の減速比を乗じたものに等しい。したがって、電動機１１の速度検出器２４は上部旋回体２２の旋回速度検出器とみなしてもよい。

インバータ１２は半導体素子回路から構成される可変周波数発生装置であって、制御手段１３の指令信号に基づいてバッテリ電源（直流電源）１４を所定の周波数と所定の電流を持った三相交流電源に変換する。バッテリ電源１４は建設機械に搭載された電源であり、エンジン１６に増速機１７を介して接続された発電機１８によって発電された交流をコンバータ１９により整流された直流電源である。

制御手段１３の入力側に操作手段２０の出力と速度検出器２４の出力が接続され、出力側はインバータ１２の制御端子並びにメカニカルブレーキ２３の制御端子に接続されている。操作手段２０は操作レバー２０ａと本体２０ｂから構成され、操作レバー２０ａは上部旋回体２２の左旋回、中立、及び右旋回に応じて、例えば左方向、中立、右方向に傾倒自在に構成されており、この傾倒角度は本体２０ｂに設けられているポテンショメータ等により電気信号に変換されて操作量として出力する。

図２は制御手段１３の構成例を示す。図２において、目標決定部３１は、予めメモリに記録されている操作量変換テーブル３２と操作手段２０からの操作量とその変化方向（或は、微分値）から対応する目標速度、制限トルクを決定する。

操作量変換テーブル３２は、図３に示すように定められている。即ち、上部旋回体２２の左旋回、中立、右旋回、即ち、電動機１１の回転方向に対して負の操作量、ゼロ、正の操作量が割り当てられ、電動機１１の目標速度及び制限トルクは負の操作量区間と正の操作量区間では対称的（原点を中心とする点対称）に定められている。更に、目標速度は操作量のゼロ点からゼロ近傍の所定点までのゼロ区間においては速度ゼロ、ゼロ区間を越えた第１区間では速度はゼロから最大速度まで増加し、第１区間を超えた第２区間では最大速度で一定となっている。また、制限トルクは加速時において、ゼロ区間ではゼロ、ゼロ区間を超える加速区間ではゼロから最大加速トルクまで増加し、加速区間を越えた最終区間では最大加速トルクで一定となり、減速時においては操作量の全区間において最大減速トルクで一定となるように定めてられている。

目標決定部３１で決定された目標速度と制限トルクはコントローラ３３に入力される。目標速度と速度検出器２４の速度とが加算器３４に印加され、ＰＩＤコントローラ３５は偏差から加速トルクを求め、比較部３６に入力する。比較部３６は加速トルクと制限トルクの各々の絶対値を比較して、絶対値の小さい方のトルクを係数器３７に出力する。係数器３７はトルク値をトルク制御信号（電流）に変換し、インバータ１２に出力する。一方、係数器３８は目標速度を速度制御信号に変換してインバータ１２に出力する。インバータ１２はトルク制御信号と速度制御信号に基づいて電動機１１に印加する所定の周波数と所定の電流を持った３相交流電源を発生する。

また、起動／停止検出部３９は操作量がゼロ区間から第１（加速）区間へ移行するとき、及び、第１（加速）区間からゼロ区間へ移行するときを検出して、起動制御部４０に起動信号を出力し、又は停止制御部４１に停止信号を出力する。起動制御部４０は速度ゼロ信号を所定時間出力した後にメカニカルブレーキ解除信号を出力し、停止制御部４１はメカニカルブレーキ保持信号を出力する。

以上に述べたように、本実施形態によればフィードバック制御とトルク制御を区別することなく、即ち軽負荷であるか重負荷であるかを判断する必要がなく、制御方式がシンプルになるという効果が得られ、また、フィードバック制御をしている際に制限トルクを超えた過大な加速トルク（または制動トルク）が作用しないため、安全な制御が可能になるという効果、並びにフィードバック制御とトルク制御が連続的に行われるために円滑な制御が可能になるという効果が得られる。また、減速時において、制動トルクの制限は常に最大としたので制動時の制御性がよくなるという効果が得られる。

なお、本発明の技術的範囲は上記実施形態で説明した技術事項に限定されるものではなく、例えば同期電動機を使用した場合も本発明の技術的範囲に属するものである。

本実施形態の構成を示す。 本実施形態の制御手段の構成例を示す。 操作量と目標速度、制限トルクの変換グラフを示す。

符号の説明

１１ ３相同期電動機（電動機）
１２ インバータ
１３ 制御手段
１４ バッテリ
２０ 操作手段
２２ 上部旋回体
２３ メカニカルブレーキ
２４ 速度検出器
３１ 目標決定部
３２ 操作量変換テーブル
３３ コントローラ
３９ 起動／停止検出部

Claims (3)

1. 下部走行体上に上部旋回体を旋回自在に載置し、該上部旋回体を電動機により旋回駆動する建設機械において、該電動機の操作信号を発生する操作手段と、該上部旋回体の旋回速度を検出する速度検出手段と、該電動機の操作信号と該速度検出手段の旋回速度に基づいて該電動機を制御する制御手段と、該制御手段からの制御入力信号に基づいて直流電源を該電動機の駆動電源に変換するインバータと、該旋回体の停止状態を保持するメカニカルブレーキとを具備し、前記制御手段は前記操作信号に基づいて目標速度及び制限トルクを決定し、該目標速度と該速度検出手段の旋回速度との偏差からフィードバック制御によるトルク値を求め、該トルク値と前記制限トルクとを比較して絶対値の小さい方のトルク値をトルク制御量として前記目標速度と共に前記インバータの制御入力信号とし、
   前記操作手段は前記上部旋回体の左旋回、中立、右旋回に対して負の操作量、ゼロ、正の操作量が割り当てられ、前記目標速度及び制限トルクは負の操作量区間と正の操作量区間では対称的に定められ、該目標速度は操作量のゼロ点からゼロ近傍の所定点までのゼロ区間においては速度ゼロ、該所定点を越えた第１区間では速度はゼロから最大速度まで増加し、第１区間を超える第２区間では最大速度で一定となり、制限トルクは加速時において該ゼロ区間では加速トルクはゼロ、ゼロ区間を超える加速区間ではゼロから最大加速トルクまで増加し、加速区間を越えた最終区間では最大加速トルクで一定となり、減速時においては操作量の全区間において最大減速トルクで一定となるように定めたことを特徴とする建設機械の上部旋回体制御装置。
2. 前記制御手段は、旋回停止時には前記メカニカルブレーキを作動させて、前記上部旋回体の停止状態を保持するようにし、旋回起動時には速度指令信号をゼロにした後に、前記メカニカルブレーキを解除するようしたことを特徴とする請求項１に記載の建設機械の旋回制御装置。
3. 前記電動機は同期電動機、又は誘導電動機で構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１に記載の建設機械の旋回制御装置。
   

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