JP5125048B2

JP5125048B2 - 作業機械の旋回制御装置

Info

Publication number: JP5125048B2
Application number: JP2006268499A
Authority: JP
Inventors: 昌之鹿児島; 昌之小見山
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: US20080082240A1; JP2008088659A; EP1905902A2; CN101153496A; EP1905902A3; CN101153496B; EP1905902B1; US8798872B2

Description

本発明は油圧アクチュエータによる油圧動作と電動機による旋回動作を併用する油圧／電気併用式の作業機械の旋回制御装置に関するものである。

ショベルを例にとって背景技術を説明する。

ショベルは、図７,８に示すように、クローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が縦軸Ｏまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に、ブーム３、アーム４、バケット５及びブーム用、アーム用、バケット用各シリンダ６，７，８を備えた掘削アタッチメントＡが装着されて構成される。

このショベルにおいて、油圧ポンプで駆動される油圧アクチュエータによって全ての動作を行わせる全油圧駆動方式に代えて、特許文献１に示されるように、旋回動作を電動機（旋回電動機）によって行わせ、他の動作はこれまで通り油圧ポンプで駆動される油圧アクチュエータによって行わせる油圧／電気併用方式が提案されている。以下、必要に応じて全油圧駆動方式をとるショベルを全油圧ショベル、併用方式をとるショベルを併用ショベルという。

この併用ショベルでは、旋回動作が電動機で独立して行われ、油圧動作に影響されることがないため、旋回加速動作と油圧動作を同時に行わせる複合操作時に、全油圧ショベルと異なった動きが発生する。

代表的な例として、旋回中にブーム３を上げる旋回／ブーム上げ複合操作時に、全油圧ショベルでは、ブーム上げによって旋回モータ（油圧モータ）への供給油量が減少するため旋回速度が低下し、この低下の度合いがブーム上げ操作量に応じて変化する。

このため、このような全油圧ショベルの動きに慣れたオペレータにとって、上記複合操作時に旋回速度が変化しない併用ショベルでは動きに違和感があり、この点で操作性が悪いという問題があった。

なお、特許文献１では、エンジン回転数の変化に対して旋回速度が変化しないため違和感があるという問題に対し、エンジン回転数に応じて旋回速度を変えることにより、油圧ショベルの動きに似せる制御を行っている。

従って、この技術を応用し、旋回／ブーム上げ複合操作時にたとえばブーム上げ操作量に応じて旋回速度が低下するように旋回電動機を制御することは可能である。
ＷＯ２００６／００４０８０Ａ１

しかし、複合操作時の全油圧ショベルの旋回特性として、ポンプから旋回モータに供給される油量の低下に伴って同時に圧力が低下することで旋回加速域での加速が鈍るのであって、単に目標速度と実速度の偏差を埋めていくフィードバック速度制御を行うだけでは、速度がやがて目標値に収まるというだけで『加速が鈍る』という動き、感覚が得られない。

とくに旋回／ブーム上げ複合操作時には、ブームシリンダに対する供給油量の変化が大きく、それだけ全油圧ショベルでは旋回加速域での加速の鈍化も激しいため、単なる速度制御では油圧旋回の特性が十分実現されず、なお操作の違和感が残ることになる。

そこで本発明は、旋回加速動作と油圧動作の複合操作時の旋回特性を全油圧ショベルのそれにより近いものとして操作性を改善することができる作業機械の旋回制御装置を提供するものである。

請求項１の発明は、旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、上記旋回電動機に対する旋回指令を出す旋回操作手段と、上記油圧アクチュエータに対する作動指令を出す油圧アクチュエータ操作手段と、上記旋回操作手段の操作量である旋回操作量を検出する旋回操作量検出手段と、上記油圧アクチュエータ操作手段の操作量である油圧アクチュエータ操作量を検出する油圧アクチュエータ操作量検出手段と、これら両操作量検出手段からの信号に基づいて上記旋回電動機を制御する制御手段とを具備し、この制御手段は、旋回速度が上記旋回操作量に応じた最高速度に達するまでの旋回加速動作と、上記油圧アクチュエータによる油圧動作を同時に行わせる複合操作時に、旋回電動機を、上記油圧アクチュエータ操作量の増加に応じて、旋回単独操作時よりも旋回の加速が鈍化する方向にトルク制御するように構成されたものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、油圧アクチュエータとしてブームを上げ下げするブームシリンダ、油圧アクチュエータ操作手段としてブーム上げの指令を出すブーム上げ操作手段、油圧アクチュエータ操作量検出手段として上記ブーム上げ操作手段の操作量を検出するブーム上げ操作量検出手段をそれぞれ備え、制御手段は、上記複合操作時に上記旋回電動機を、上記ブーム上げ操作量の増加に応じて、旋回単独操作時よりも旋回の加速が鈍化する方向にトルク制御するように構成されたものである。

本発明によると、旋回加速動作と油圧動作（とくに請求項２のブーム上げ動作）を同時に行わせる複合操作時に、旋回電動機を、油圧アクチュエータ操作量の増加に応じて、旋回単独操作時よりも旋回の加速が鈍化する方向にトルク制御するため、全油圧ショベルの動きにきわめて近い動き、感覚を実現することができる。このため、全油圧ショベルとの比較において違和感がなく、この点で操作性を改善することができる。

本発明の実施形態を図１〜図６によって説明する。

図１〜図３に示す第１実施形態では、『旋回トルクが小さくなる方向の制御』を行い、図４〜図６に示す第２実施形態では『旋回加速度が小さくなる方向の制御』を行うように構成している。

第１実施形態
図１に第１実施形態にかかる旋回制御装置の全体構成を示す。

まず、駆動系を説明すると、エンジン１１の動力が動力分配装置１２を介して油圧ポンプ１３と発電電動機１４に加えられる。

油圧ポンプ１３には油圧回路１５が接続され、図７のブームシリンダ６及び他の油圧アクチュエータ（一括して符号１６を付している）が油圧ポンプ１３からの圧油によって駆動される。

発電電動機１４からの電力は、発電電動機用及び旋回電動機用の両インバータ１７,１８を介して旋回電動機１９に送られ、この旋回電動機１９の回転力が減速機２０を介して上部旋回体２に伝えられて同旋回体２が図７,８の縦軸Ｏまわりに旋回する。

両インバータ１７,１８間にはバッテリ２１が設けられ、このバッテリ２１が発電電動機１４と組み合わされて旋回電動機１９の電源として使用される。

２２は旋回電動機１９の回転速度を検出する旋回速度検手段としてのエンコーダで、このエンコーダ２２で検出された旋回速度が制御手段としてのコントローラ２３に入力される。

２４は旋回操作手段としての旋回レバー（左、右の旋回に共用するものとして一つだけを示す）、２５はブーム上げ操作手段としてのブーム上げレバーで、この両レバー２４,２５の操作量（旋回操作量、ブーム上げ操作量）が、ポテンショメータ等の信号変換器２６,２７を介して、旋回操作量検出手段とブーム上げ操作量検出手段とを兼ねる操作量検出手段２８により検出され、コントローラ２３に入力される。

なお、ブーム上げ操作手段としてリモコン弁を用い、その操作量をパイロット圧センサで電気信号に変換して操作量検出手段２８に送るようにしてもよい。

コントローラ２３は、基本的な構成要素として、旋回操作量から旋回速度の目標値を演算する旋回速度目標値演算手段２９と、この旋回速度目標値に基づいて旋回速度の指令値を出力する旋回加減速制御手段３０と、エンコーダ２２からの旋回速度信号から旋回速度を割り出す旋回速度検出値演算手段３１と、旋回速度フィードバック制御（ＰＩ制御）を行う旋回速度制御手段３２と、電動機トルク制御手段３３とを具備している。

これら基本的な構成要素による基本的な速度制御作用を図２を併用して説明する。

（ｉ）旋回速度目標値演算手段２９において、旋回操作量信号から旋回速度の目標値を求める（図２の制御ステップＳ１）。

（ｉｉ）旋回加減速制御手段３０において、上記旋回速度の目標値に応じた旋回加減速制御のための旋回速度指令値を求め、この旋回速度指令値を旋回速度制御手段３２に送る（同、制御ステップＳ２）。

（ｉｉｉ）旋回速度制御手段３２において、指令速度を実現するために必要な旋回トルクを求め、これを旋回トルク指令値として電動機トルク制御手段３３に向けて出力する（同、制御ステップＳ３）。

（ｉｖ）電動機トルク制御手段３３において、上記旋回トルク指令値に応じた電流値を求め、これをインバータ１８に向けて出力する（同、制御ステップＳ４）。

これにより、旋回電動機１９が旋回操作量に応じた速度で回転し、図７,８の上部旋回体２が旋回する。

ここで、特許文献１に開示された技術を応用した場合、旋回／ブーム上げの複合操作時に、旋回の動きを全油圧ショベルのそれに近づける制御として、ブーム上げ操作量に応じて制御ステップＳ２での速度指令値を減らし、この減らされた速度指令に基づく速度フィードバック制御を行うものと考えられる。

これに対し第１実施形態においては、旋回加速／ブーム上げの複合操作時に、旋回の動きを油圧旋回のそれに近づけるための構成要素として、旋回トルク制限値設定手段３４と、旋回トルク制限手段３５とが設けられている。

旋回トルク制限値設定手段３４では、操作量検出手段２８からのブーム上げ操作量に基づき、図２中の制御ステップＳ５として、予め定めたブーム上げ操作量／トルク制限値の特性から旋回トルクの制限値を求め、これを旋回トルク制限手段３５に送る。

旋回トルク制限手段３５では、制御ステップＳ６として、この旋回トルク制限値に基づいて旋回速度制御手段３２からの旋回トルク指令値に制限を加え、この制限された値を最終的な旋回トルク指令値として電動機トルク制御手段３３に送る。

この結果、旋回加速／ブーム上げの複合操作時に、図３に示すように旋回トルクが制限されて旋回の加速が鈍り、ブーム上げ操作量が大きいほどこのトルク制限（加速の鈍化）がきつくなる。

これにより、ブーム上げ操作量に応じて、旋回単独操作時よりも加速が鈍るという、油圧旋回にきわめて近い旋回特性が得られる。

第２実施形態
図４〜図６に示す第２実施形態において、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して示し、その重複説明を省略する。

第１実施形態との相違点のみを説明すると、図１と図４を比較して分かるように、第１実施形態の旋回トルク制限値設定手段３４に代えて旋回加速制限値設定手段３６が設けられている。

この旋回加速制限値設定手段３６は、図２の制御ステップＳ５に代わる図５の制御ステップＳ５´として、ブーム上げ操作量に基づき、予め定めたブーム上げ操作量／加速制限値の特性から加速制限値を求め、これを旋回加減速制御手段３０に送る。

この加速制限値を受けた旋回加減速制御手段３０では、制御ステップＳＳ２´として、旋回速度目標値演算手段２９からの旋回速度目標値に加速制限を加えた旋回速度指令値を求め、これを旋回速度制御手段３２に送る。

この結果、図６に示すようにブーム上げ操作量に応じて旋回の加速度が鈍化し、第１実施形態と同様に旋回加速域で旋回単独操作時よりも加速が鈍化するという、油圧旋回にきわめて近い旋回特性を得ることができる。

他の実施形態
（１）上記両実施形態では、複合操作時に旋回の加速が鈍化する油圧動作の代表的な例としてブーム上げ動作を挙げたが、本発明は、同様の現象が発生する他の油圧動作との組み合わせにおいても適用することができる。

（２）上記両実施形態では、旋回電動機１９を発電電動機１４とバッテリ２１で駆動し、油圧ポンプ１３はエンジン１１で駆動する所謂ハイブリッド式のショベルに適用した場合を例示したが、本発明は、外部電源またはバッテリで旋回電動機とポンプ用電動機を駆動し、このポンプ用電動機で油圧ポンプを駆動するショベルにも適用することができる。

（３）本発明はショベルに限らず、ショベルを母体として構成される破砕機や解体機、溝掘り掘削機等の電動旋回式をとる作業機械に広く適用することができる。

本発明の第１実施形態にかかる制御装置の全体構成図である。第１実施形態による制御内容を説明するための制御ブロック図である。第１実施形態による制御結果としての旋回トルク及び旋回速度の時間に対する変化状況を示す図である。本発明の第２実施形態にかかる制御装置の全体構成図である。第２実施形態による制御内容を説明するための制御ブロック図である。第２実施形態による制御結果としての旋回加速度及び旋回速度の時間に対する変化状況を示す図である。ショベルの概略側面図である。ショベルの概略正面図である。

２上部旋回体
３ブーム
６油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ
１３油圧ポンプ
１４旋回電動機の電源としての発電電動機
１５油圧回路
１９旋回電動機
２１旋回電動機の電源としてのバッテリ
２３制御手段としてのコントローラ
２４,２５操作手段としての旋回、ブーム上げレバー
２６,２７信号変換器
２８操作量検出手段
２９コントローラの旋回速度目標値演算手段
３０同、旋回加減速制御手段
３１同、旋回速度検出値演算手段
３２同、旋回速度制御手段
３３同、電動機トルク制御手段
３４同、旋回トルク制限値設定手段
３５同、旋回トルク制限手段
３６同、旋回加速制限値設定手段

Claims

旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、上記旋回電動機に対する旋回指令を出す旋回操作手段と、上記油圧アクチュエータに対する作動指令を出す油圧アクチュエータ操作手段と、上記旋回操作手段の操作量である旋回操作量を検出する旋回操作量検出手段と、上記油圧アクチュエータ操作手段の操作量である油圧アクチュエータ操作量を検出する油圧アクチュエータ操作量検出手段と、これら両操作量検出手段からの信号に基づいて上記旋回電動機を制御する制御手段とを具備し、この制御手段は、旋回速度が上記旋回操作量に応じた最高速度に達するまでの旋回加速動作と、上記油圧アクチュエータによる油圧動作を同時に行わせる複合操作時に、旋回電動機を、上記油圧アクチュエータ操作量の増加に応じて、旋回単独操作時よりも旋回の加速が鈍化する方向にトルク制御するように構成されたことを特徴とする作業機械の旋回制御装置。
油圧アクチュエータとしてブームを上げ下げするブームシリンダ、油圧アクチュエータ操作手段としてブーム上げの指令を出すブーム上げ操作手段、油圧アクチュエータ操作量検出手段として上記ブーム上げ操作手段の操作量を検出するブーム上げ操作量検出手段をそれぞれ備え、制御手段は、上記複合操作時に上記旋回電動機を、上記ブーム上げ操作量の増加に応じて、旋回単独操作時よりも旋回の加速が鈍化する方向にトルク制御するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の作業機械の旋回制御装置。