以下、本発明の旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を適用した実施の形態について説明する。
図1は、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械を示す側面図である。
この建設機械の下部走行体1には、旋回機構2を介して上部旋回体3が搭載されている。また、上部旋回体3には、ブーム4、アーム5、及びバケット6と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9に加えて、キャビン10及び動力源が搭載される。
「全体構成」
図2は、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械の構成を表すブロック図である。この図2では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。
機械式駆動部としてのエンジン11と、アシスト駆動部としての電動発電機12は、ともに増力機としての減速機13の入力軸に接続されている。また、この減速機13の出力軸には、メインポンプ14及びパイロットポンプ15が接続されている。メインポンプ14には、高圧油圧ライン16を介してコントロールバルブ17が接続されている。
コントロールバルブ17は、本実施の形態の建設機械における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ17には、下部走行体1用の油圧モータ1A(右用)及び1B(左用)、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9が高圧油圧ラインを介して接続される。
また、電動発電機12には、インバータ18を介して蓄電装置としてのバッテリ19が接続されており、また、バッテリ19には、インバータ20を介して旋回用電動機21が接続されている。
旋回用電動機21の回転軸21Aには、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、及び旋回減速機24が接続される。また、パイロットポンプ15には、パイロットライン25を介して操作装置26が接続される。
操作装置26には、油圧ライン27及び28を介して、コントロールバルブ17及びレバー操作検出部としての圧力センサ29がそれぞれ接続される。この圧力センサ29には、本実施の形態の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ30が接続されている。
このような本実施の形態の建設機械は、エンジン11、電動発電機12、及び旋回用電動機21を動力源とするハイブリッド型の建設機械である。これらの動力源は、図1に示す上部旋回体3に搭載される。以下、各部について説明する。
「各部の構成」
エンジン11は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機13の一方の入力軸に接続される。このエンジン11は、建設機械の運転中は常時運転される。
電動発電機12は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機12として、インバータ20によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機12は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機12の回転軸は減速機13の他方の入力軸に接続される。
減速機13は、2つの入力軸と1つの出力軸を有する。2つの入力軸の各々には、エンジン11の駆動軸と電動発電機12の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ14の駆動軸が接続される。エンジン11の負荷が大きい場合には、電動発電機12が力行運転を行い、電動発電機12の駆動力が減速機13の出力軸を経てメインポンプ14に伝達される。これによりエンジン11の駆動がアシストされる。一方、エンジン11の負荷が小さい場合は、エンジン11の駆動力が減速機13を経て電動発電機12に伝達されることにより、電動発電機12が回生運転による発電を行う。電動発電機12の力行運転と回生運転の切り替えは、コントローラ30により、エンジン11の負荷等に応じて行われる。
メインポンプ14は、コントロールバルブ17に供給するための油圧を発生するポンプである。この油圧は、コントロールバルブ17を介して油圧モータ1A、1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9の各々を駆動するために供給される。
パイロットポンプ15は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。
コントロールバルブ17は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体1用の油圧モータ1A、1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。
インバータ18は、上述の如く電動発電機12とバッテリ19との間に設けられ、コントローラ30からの指令に基づき、電動発電機12の運転制御を行う。これにより、インバータ18が電動発電機12の力行を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ19から電動発電機12に供給する。また、電動発電機12の回生を運転制御している際には、電動発電機12により発電された電力をバッテリ19に充電する。
バッテリ19は、インバータ18とインバータ20との間に配設されている。これにより、電動発電機12と旋回用電動機21の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が回生運転を行っている際には、回生運転によって発生した回生電力を電気エネルギーとして蓄積するための電源である。
インバータ20は、上述の如く旋回用電動機21とバッテリ19との間に設けられ、コントローラ30からの指令に基づき、旋回用電動機21に対して運転制御を行う。これにより、インバータが旋回用電動機21の力行を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ19から旋回用電動機21に供給する。また、旋回用電動機21が回生運転をしている際には、旋回用電動機21により発電された電力をバッテリ19へ充電する。
旋回用電動機21は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体3の旋回機構2を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機21の回転駆動力の回転力が減速機24にて増幅され、上部旋回体3が加減速制御され回転運動を行う。また、上部旋回体3の慣性回転により、減速機24にて回転数が増加されて旋回用電動機21に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機21として、PWM(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ20によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機21は、例えば、磁石埋込型のIPMモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機21にて発電される電力を増大させることができる。
なお、バッテリ19の充放電制御は、バッテリ19の充電状態、電動発電機12の運転状態(力行運転又は回生運転)、旋回用電動機21の運転状態(力行運転又は回生運転)に基づき、コントローラ30によって行われる。
レゾルバ22は、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機21と機械的に連結することで旋回用電動機21の回転前の回転軸21Aの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸21Aの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機21の回転軸21Aの回転角度を検出することにより、旋回機構2の回転角度及び回転方向が導出される。
メカニカルブレーキ23は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動機21の回転軸21Aを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ23は、電磁式スイッチにより制動/解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ30によって行われる。
旋回減速機24は、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転速度を減速して旋回機構2に機械的に伝達する減速機である。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機21の回転力を増力させ、より大きな回転力として旋回体へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、旋回体で発生した回転数を増加させ、より多くの回転動作を旋回用電動機21に発生させることができる。
旋回機構2は、旋回用電動機21のメカニカルブレーキ23が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体3が左方向又は右方向に旋回される。
操作装置26は、旋回用電動機21、下部走行体1、ブーム4、アーム5、及びバケット6を操作するための操作装置であり、レバー26A及び26Bとペダル26Cを含む。レバー26Aは、旋回用電動機21及びアーム5を操作するためのレバーであり、上部旋回体3の運転席近傍に設けられる。レバー26Bは、ブーム4及びバケット6を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル26Cは、下部走行体1を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。
この操作装置26は、パイロットライン25を通じて供給される油圧(1次側の油圧)を運転者の操作量(例えば、中立位置を基準としたレバー傾斜角度である。)に応じた油圧(2次側の油圧)に変換して出力する。操作装置26から出力される2次側の油圧は、油圧ライン27を通じてコントロールバルブ17に供給されるとともに、圧力センサ29によって検出される。
レバー26A及び26Bとペダル26Cの各々が操作されると、油圧ライン27を通じてコントロールバルブ17が駆動され、これにより、油圧モータ1A、1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9内の油圧が制御されることによって、下部走行体1、ブーム4、アーム5、及びバケット6が駆動される。
なお、油圧ライン27は、油圧モータ1A及び1Bを操作するために1本ずつ(すなわち合計2本)、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダをそれぞれ操作するために2本ずつ(すなわち合計6本)設けられるため、実際には全部で8本あるが、説明の便宜上、1本にまとめて表す。
レバー操作検出部としての圧力センサ29では、レバー26Aの操作による、油圧ライン28内の油圧の変化が圧力センサ29で検出される。圧力センサ29は、油圧ライン28内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ30に入力される。これにより、レバー26Aの操作量を的確に把握することができる。また、本実施の形態では、レバー操作検出部としての圧力センサを用いたが、レバー26Aの操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。
「コントローラ30」
コントローラ30は、本実施の形態の建設機械の駆動制御を行う制御装置であり、速度指令変換部31、駆動制御装置32、及び旋回駆動制御装置40を含む。このコントローラ30は、CPU(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、速度指令変換部31、駆動制御装置32、及び旋回駆動制御装置40は、コントローラ30のCPUが内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することにより、
実現される装置である。
速度指令変換部31は、圧力センサ29から入力される信号を速度指令に変換する演算処理部である。これにより、レバー26Aの操作量は、旋回用電動機21を回転駆動させるための速度指令(rad/s)に変換される。この速度指令は、駆動制御装置32及び旋回駆動制御装置40に入力される。なお、この速度指令変換部31で用いる変換特性については、図3を用いて説明する。
ここで、本明細書及び特許請求の範囲では、運転者が操作装置26のレバー26Aを中立点より操作して上部旋回体3を旋回させようとする方向(すなわち、操作装置26に入力される中立点を基準とした旋回方向)を「旋回操作方向」と称す。
駆動制御装置32は、電動発電機12の運転制御(力行運転又は回生運転の切り替え)、及び、バッテリ19の充放電制御を行うための制御装置である。この駆動制御装置32は、エンジン11の負荷の状態とバッテリ19の充電状態に応じて、電動発電機12の力行運転と回生運転を切り替える。駆動制御装置32は、電動発電機12の力行運転と回生運転を切り替えることにより、インバータ18を介してバッテリ19の充放電制御を行う。
「操作量/速度指令の変換特性」
図3は、本実施の形態の建設機械の速度指令変換部31において操作レバー26Aの操作量を速度指令(上部旋回体3を旋回させるために旋回用電動機21を回転させるための速度指令)に変換する変換特性を示す図である。この変換特性は、操作レバー26Aの操作量に応じて、不感帯領域、零速度指令領域(左旋回用及び右旋回用)、左方向旋回駆動領域、及び右方向旋回駆動領域の5つの領域に区分される。
ここで、本実施の形態の建設機械の制御系では、左旋回を表す値を正の値で表し、右旋回を表す値を負の値で表すこととする。このため、操作レバー26Aの左方向の操作量を正の値で、また、右方向の操作量を負の値で規定し、上部旋回体3を左方向に旋回させるための速度指令の値が正となり、右方向に旋回させるための速度指令の値が負となる。
「不感帯領域」
この変換特性に示すように、不感帯領域は、レバー26Aの中立点付近に設けられている。この不感帯領域では、速度指令変換部31から速度指令は出力されず、旋回駆動制御装置40による旋回用電動機21の駆動制御は行われない。また、不感帯領域では、メカニカルブレーキ23によって旋回用電動機21が機械的に停止された状態となる。
従って、レバー26Aの操作量が不感帯領域内にある間は、メカニカルブレーキ23によって旋回用電動機21が機械的に停止され、これにより、上部旋回体3が機械的に停止された状態となる。
「零速度指令領域」
零速度指令領域は、レバー26Aの操作方向における不感帯領域の両外側に設けられている。この零速度指令領域は、不感帯領域における上部旋回体3の停止状態と、左右方向の旋回駆動領域における旋回状態とを切り替える際に操作性を良くするために設けられる緩衝領域である。
操作レバー26Aの操作量がこの零速度指令領域の範囲内にあるときは、速度指令変換部31から零速度指令が出力され、メカニカルブレーキ23は解除された状態となる。
ここで、零速度指令とは、上部旋回体3の旋回速度を零にするために、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転速度を零にするための速度指令であり、後述するPI制御では、回転軸21Aの回転速度を零に近づけるための目標値として用いられる。
なお、メカニカルブレーキ23の制動(オン)/解除(オフ)の切り替えは、不感帯領域と零速度指令領域の境界においてコントローラ30内の旋回駆動制御装置40によって行われる。
具体的には、操作レバー26Aの操作量が不感帯領域から零速度指令領域に移行した場合、旋回駆動制御装置40は、即座にメカニカルブレーキ23に対して解除(オフ)信号を出力する。
従って、平坦地では、レバー26Aの操作量が零速度指令領域内にある間は、メカニカルブレーキ23は解除され、零速度指令により、旋回用電動機21の回転軸21Aは停止状態に保持される。これにより、平坦地では、上部旋回体3は旋回駆動されずに停止状態に保持される。
一方で、操作レバー26Aの操作量が左(右)方向旋回駆動領域から零速度指令領域を経て不感帯領域に移行する場合、旋回駆動制御装置40は、即座にメカニカルブレーキ23に対して制動(オン)信号を出力することなく、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転速度が継続的に零速度検出閾値(ほぼ零と見なせる値であり、レゾルバ22の検出精度に応じて設定される。)以下となる時間(以下、「零速度継続時間」とする。)が継続時間閾値を超え、且つ、操作レバー26Aの操作量が不感帯領域に留まる時間(以下、「不感帯領域滞留時間」とする。)が滞留時間閾値を超えた場合に、上部旋回体3の旋回が完全に停止したものと判定して(以下、「完全停止判定」とする。)、メカニカルブレーキ23に対して制動(オン)信号を出力する。
従って、操作レバー26Aの操作量が不感帯領域にある場合であっても、完全停止判定が行われない限りメカニカルブレーキ23は解除されたままであり、零速度指令による回転軸21Aの停止が継続されることとなる。
「左方向旋回駆動領域」
左方向旋回駆動領域は、上部旋回体3を左方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部31から出力される領域である。
この領域内では、レバー26Aの操作量に応じて、速度指令の値が正方向で増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置40で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機21が駆動され、この結果、上部旋回体3が左方向に旋回駆動される。なお、図3中の速度指令の値は、レバー26Aの操作量が一定の範囲を超えると一定値となっているが、これは、上部旋回体3の旋回速度を予め定められた値以下に制限するために、速度指令値の値を制限していることを示している。
「右方向旋回駆動領域」
右方向旋回駆動領域は、上部旋回体3を右方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部31から出力される領域である。
この領域内では、レバー26Aの操作量に応じて、速度指令の値が負方向で増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置40で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機21が駆動され、この結果、上部旋回体3が右方向に旋回駆動される。
なお、左方向旋回駆動領域と同様に、右方向旋回駆動領域における速度指令値は、所定の値で制限される。
図4は、本実施の形態の建設機械における旋回制御の各種モード間の遷移を説明するための図であり、その旋回制御は、停止(ブレーキ)モード、起動モード、旋回モード、及び停止(保持制御)モードの四つのモードで構成される。
停止(ブレーキ)モードは、メカニカルブレーキ23によって旋回停止状態が維持されるモードであり、操作レバー26Aの操作量が不感帯領域から零速度指令領域に移行すると起動モードに遷移する。
起動モードは、旋回用電動機21が零速度指令により制御されて旋回停止状態が維持されるモードであり、操作レバー26Aの操作量が零速度指令領域から不感帯領域に移行すると停止(ブレーキ)モードに遷移し、操作レバー26Aの操作量が零速度指令領域から左(右)方向旋回駆動領域に移行すると旋回モードに遷移する。
旋回モードは、旋回用電動機21が速度指令により制御されて旋回が行われるモードであり、操作レバー26Aの操作量が左(右)方向旋回駆動領域から零速度指令領域に移行すると停止(保持制御)モードに遷移する。
停止(保持制御)モードは、旋回用電動機21が零速度指令により制御されて旋回停止状態が維持されるモードであり、上部旋回体3の旋回が完全に停止したか否かの判定が開始されるモードである。停止(保持制御)モードは、完全停止判定が行われる前に操作レバー26Aの操作量が零速度指令領域から左(右)方向旋回駆動領域に移行すると旋回モードに遷移し、完全停止判定が行われると停止(ブレーキ)モードに遷移する。
「旋回駆動制御装置40」
図5は、本実施の形態の旋回駆動制御装置40の構成を示す制御ブロック図である。
旋回駆動制御装置40は、インバータ20を介して旋回用電動機21の駆動制御を行うための制御装置であり、旋回用電動機21を駆動するためのトルク電流増減値(トルク指令値)を生成する駆動指令生成部50、及び、主制御部60を含む。
駆動指令生成部50には、レバー26Aの操作量に応じて速度指令変換部31から出力される速度指令が入力され、この駆動指令生成部50は速度指令に基づきトルク電流増減値を生成する。駆動指令生成部50から出力されるトルク電流増減値はインバータ20に入力され、このインバータ20によって旋回用電動機21がPWM制御信号により交流駆動される。
インバータ20は、駆動指令生成部50から受けるトルク電流増減値によりトルク電流値を増減させて電動機21を左方向又は右方向に加速又は減速させる。なお、インバータ20は、例えば、トルク電流値がプラス側に大きいほど上部旋回体3を左方向に旋回させる旋回用電動機21のトルクを増大させるようにし、トルク電流値がマイナス側に大きいほど上部旋回体3を右方向に旋回させる旋回用電動機21のトルクを増大させるようにする。
主制御部60は、旋回駆動制御装置40の制御処理に必要な周辺処理を行う制御部である。具体的な処理内容については、関連箇所においてその都度説明する。
「駆動指令生成部50」
駆動指令生成部50は、減算器51、PI制御部52、トルク制限部53、及び旋回動作検出部58を含む。この駆動指令生成部50の減算器51には、レバー26Aの操作量に応じた旋回駆動用の速度指令(rad/s)が入力される。
減算器51は、レバー26Aの操作量に応じた速度指令の値(以下、速度指令値)から、旋回動作検出部58によって検出される旋回用電動機21の回転速度(rad/s)を減算して偏差を出力する。この偏差は、後述するPI制御部52において、旋回用電動機21の回転速度を速度指令値(目標値)に近づけるためのPI制御に用いられる。
PI制御部52は、減算器51から入力される偏差に基づき、旋回用電動機21の回転速度を速度指令値(目標値)に近づけるように(すなわち、この偏差を小さくするように)PI制御を行い、そのために必要なトルク電流増減値を演算する。生成されたトルク電流増減値は、トルク制限部53に入力される。
具体的には、PI制御部52は、今回の制御サイクルにおいて減算器51から入力される偏差に所定の比例(P)ゲインを乗じた値(比例成分)と、今回の制御サイクルにおいて減算器51から入力される偏差と前回の制御サイクルまでに積算された偏差の積算値(積分値)を加算したものに所定の積分(I)ゲインを乗じた値(積分成分)とを加算してトルク電流増減値を求める。
また、PI制御部52は、レバー26Aの操作量が左(右)方向旋回駆動領域から零速度指令領域に移行し、或いは零速度指令領域を超えて更に不感帯領域に移行し、零速度指令により旋回制動が開始された場合(旋回モードから停止(保持制御)モードに遷移した場合)に、旋回用電動機21の回転速度が最初に零(0)に達したタイミングで偏差の積算値(積分値)をリセットする(0にする)。
このように、PI制御部52は、旋回電動機21の回転速度が零になった時点でフィードバック制御の積分成分をリセットすることで制動トルクが過度に残存するのを防止するようにして揺れ戻りを抑えることができる。一方で、PI制御部52は、旋回電動機21の回転速度が零になった時点であってもフィードバック制御自体は継続させているので、零速度指令と回転速度とに偏差が生じればPI制御による補正動作が行われて、旋回停止時期が遅れるのを防止することができる。
なお、旋回電動機21の回転速度が、右方向旋回のときに正の値で表され、左方向旋回のときに負の値で表されることから、PI制御部52は、旋回制動開始前の旋回方向が左方向であった場合には旋回用電動機21の回転速度が0以下となったことを検出したタイミングにおいて、或いは、旋回制動開始前の旋回方向が右方向であった場合には旋回用電動機21の回転速度が0以上となったことを検出したタイミングにおいて、偏差の積算値(積分値)をリセットする。或いは、PI制御部52は、旋回用電動機21の回転速度を絶対値にし、旋回方向にかかわらずその絶対値が0以下となったタイミングで偏差の積算値(積分値)をリセットするようにしてもよい。
旋回用電動機21の回転速度が最初に零(0)に達したか否かの判定は主制御部60によって実行され、PI制御部52は、旋回用電動機21の回転速度が最初に零(0)に達したとの判定結果を受けて積分成分のリセットを実行する。
トルク制限部53は、レバー26Aの操作量に応じてトルク電流増減値の変動幅を制限する処理を行う。
このようなトルク電流増減値の変動幅の制限は、PI制御部52によって演算されるトルク電流増減値が急激に変動すると旋回制御性が悪化するため、この悪化を抑制するために行われる。この制限特性は、上部旋回体3の左方向及び右方向の双方向における急旋回を制限するための特性を有するものであり、レバー26Aの操作量の増大に応じてトルク電流増減値の変動幅を緩やかに増大させる特性を有する。
制限特性を表すデータ(例えば、参照テーブルの形式で提供される。)は、主制御部60の内部メモリに格納されており、トルク制限部53によって読み出される。
図6は、トルク制限部53で採用される制限特性の一例を示す図であり、横軸にレバー26Aの操作量を配し、縦軸に許容最大変動幅(トルク制限値)を配し、トルク電流増減値の許容最大変動幅を実線で示す。図6(A)は、旋回操作方向が左方向の場合に採用される制限特性であり、図6(B)は、旋回操作方向が右方向の場合に採用される制限特性である。
図6(A)の制限特性の第一象限は、左方向旋回における旋回加速側の許容最大変動幅(以下、「許容最大変動幅(加速側)」とする。)の特性を規定し、第四象限は、左方向旋回における旋回制動側の許容最大変動幅(以下、「許容最大変動幅(制動側)」とする。)の特性を規定する。また、図6(B)の制限特性の第二象限は、右方向旋回における許容最大変動幅(制動側)の特性を規定し、第三象限は、右方向旋回における許容最大変動幅(加速側)の特性を規定する。
図6(A)において、左方向旋回の許容最大変動幅(加速側)は、操作量が小さい場合に零とされ、その後、操作量が増大するにつれて増大し、操作量が所定の値を超えたところで一定となる。また、左方向旋回の許容最大変動幅(制動側)は、操作量の大きさにかかわらず比較的小さい値、例えば、制御上の最小値(絶対値で最大値)で一定とされる。
図6(B)において、右方向旋回の許容最大変動幅(加速側)は、操作量が大きい場合(絶対値で操作量が小さい場合)に零とされ、その後、操作量が減少する(絶対値で増大する)につれて減少し(絶対値で増大し)、操作量が所定の値を超えたところで一定となる。
また、右方向旋回の許容最大変動幅(制動側)は、操作量の大きさにかかわらず比較的大きい値、例えば、制御上の最大値で一定とされる。
レバー26Aを中立位置から零速度指令領域を超えて左方向旋回駆動領域へ傾斜させる場合、或いは左方向旋回駆動領域内で零速度指令領域側に戻す場合、操作量はプラスの値となるので、左方向旋回用の図6(A)の制限特性から、操作量(プラスの値)に応じて許容最大変動幅(加速側)と許容最大変動幅(制動側)とを求めることになる。
ここで、左方向旋回における許容最大変動幅(加速側)は、PI制御部52によって算出されるトルク電流増減値がプラスの値である場合、すなわち、操作量が左方向旋回駆動領域側で増加したことにより実際の旋回速度(旋回用電動機21の回転速度)に対して速度指令が大きくなりインバータ20における現在のトルク電流値を増大させる場合であって、PI制御部52によって算出されたトルク電流増減値(プラスの値)がレバー26Aの操作量に対応する許容最大変動幅(加速側)より大きい場合に、そのトルク電流増減値を許容最大変動幅(加速側)に制限するためのものである。
なお、PI制御部52によって算出されるトルク電流増減値(プラスの値)がレバー26Aの操作量に対応する許容最大変動幅(加速側)より小さい場合には、そのトルク電流増減値がそのまま出力されることとなる。
また、左方向旋回における許容最大変動幅(制動側)は、PI制御部52によって算出されるトルク電流増減値がマイナスの値である場合、すなわち、操作量が左方向旋回駆動領域側で減少したことにより実際の旋回速度(旋回用電動機21の回転速度)に対して速度指令が小さくなりインバータ20における現在のトルク電流値を減少させる場合であって、PI制御部52によって算出されたトルク電流増減値(マイナスの値)がレバー26Aの操作量に対応する許容最大変動幅(制動側)より小さい場合(絶対値で大きい場合)に、そのトルク電流増減値を許容最大変動幅(制動側)に制限するためのものである。
なお、PI制御部52によって算出されるトルク電流増減値(マイナスの値)がレバー26Aの操作量に対応する許容最大変動幅(制動側)より大きい場合(絶対値で小さい場合)には、そのトルク電流増減値がそのまま出力されることとなる。
一方、レバー26Aを中立位置から零速度指令領域を超えて右方向旋回駆動領域へ傾斜させる場合、或いは右方向旋回駆動領域内で零速度指令領域側に戻す場合、操作量はマイナスの値となるので、右方向旋回用の図6(B)の制限特性から、操作量(マイナスの値)に応じて許容最大変動幅(加速側)と許容最大変動幅(制動側)とを求めることになる。
ここで、右方向旋回における許容最大変動幅(加速側)は、PI制御部52によって算出されるトルク電流増減値がマイナスの値である場合、すなわち、操作量(マイナスの値)が右方向旋回駆動領域側で減少したことにより実際の旋回速度(旋回用電動機21の回転速度)に対して速度指令が小さくなり(絶対値で大きくなり)インバータ20における現在のトルク電流値を減少させる(絶対値で増大させる)場合であって、PI制御部52によって算出されたトルク電流増減値(マイナスの値)がレバー26Aの操作量に対応する許容最大変動幅(加速側)より小さい場合(絶対値で大きい場合)に、そのトルク電流増減値を許容最大変動幅(加速側)に制限するためのものである。
なお、PI制御部52によって算出されるトルク電流増減値(マイナスの値)がレバー26Aの操作量に対応する許容最大変動幅(加速側)より大きい場合(絶対値で小さい場合)には、そのトルク電流増減値がそのまま出力されることとなる。
また、右方向旋回における許容最大変動幅(制動側)は、PI制御部52によって算出されるトルク電流増減値がプラスの値である場合、すなわち、操作量(マイナスの値)が右方向旋回駆動領域側で増加したことにより実際の旋回速度(旋回用電動機21の回転速度)に対して速度指令が大きくなり(絶対値で小さくなり)インバータ20における現在のトルク電流値を増加させる(絶対値で減少させる)場合であって、PI制御部52によって算出されたトルク電流増減値(プラスの値)がレバー26Aの操作量に対応する許容最大変動幅(制動側)より大きい場合に、そのトルク電流増減値を許容最大変動幅(制動側)に制限するためのものである。
なお、PI制御部52によって算出されるトルク電流増減値(プラスの値)がレバー26Aの操作量に対応する許容最大変動幅(制動側)より小さい場合には、そのトルク電流増減値がそのまま出力されることとなる。
トルク制限部54は、トルク制限部53から出力された制限後のトルク電流増減値が旋回用電動機21の許容最大トルク値以下となるように、トルク電流増減値を制限する。このトルク電流増減値の制限は、トルク制限部53と同様に、上部旋回体3の左方向及び右方向の双方向の回転に対して行われる。
なお、トルク電流増減値を制限するための特性を表すデータは、主制御部60の内部メモリに格納されており、トルク制限部54によって読み出される。
このようにして、トルク制限部54は、インバータ20に送る最終的な駆動指令となるトルク電流増減値を生成する。インバータ20は、トルク制限部54から入力されるトルク電流増減値に基づき最終的なトルク電流値を決定し、旋回用電動機21をPWM駆動する。
旋回動作検出部58は、レゾルバ22によって検出される旋回用電動機21の回転位置の変化(すなわち上部旋回体3の旋回)を検出するとともに、回転位置の時間的な変化から旋回用電動機21の回転速度を微分演算によって導出する。導出された回転速度を表すデータは、減算器51及び主制御部60に入力される。
このように、駆動指令生成部50は、速度指令変換部31から入力される速度指令に基づき、旋回用電動機21を駆動するためのトルク電流増減値を生成し、上部旋回体3を所望の旋回位置まで旋回させる。このような旋回動作は、油圧駆動の建設機械と同様の操作手法により実現される。
以上では、旋回用電動機21の制御手法としてPI制御を用いる形態について説明したが、これに微分(D)成分を加えた所謂PID制御を用いる形態であってもよい。
また、以上では、旋回用電動機21がインバータ20によってPWM駆動される交流モータであり、その回転速度を検出するために、レゾルバ22及び旋回動作検出部58を用いる形態について説明したが、旋回用電動機21は直流モータであってもよい。この場合は、インバータ20、レゾルバ22及び旋回動作検出部58が不要となり、回転速度としては直流モータのタコジェネレータで検出される値を用いればよい。
また、以上では、ハイブリッド型の建設機械を用いて説明したが、旋回機構が電動化された建設機械であれば、本実施の形態の旋回駆動装置の適用対象は、バイブリッド型に限定されるものではない。
以上、本発明の例示的な実施の形態の旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
1・・・下部走行体、1A、1B・・・走行機構、2・・・旋回機構、3・・・上部旋回体、4・・・ブーム、5・・・アーム、6・・・バケット、7・・・ブームシリンダ、8・・・アームシリンダ、9・・・バケットシリンダ、10・・・キャビン、11・・・エンジン、12・・・電動発電機、13・・・減速機、14・・・メインポンプ、15・・・パイロットポンプ、16・・・高圧油圧ライン、17・・・コントロールバルブ、18・・・インバータ、19・・・バッテリ、20・・・インバータ、21・・・旋回用電動機、23・・・メカニカルブレーキ、24・・・旋回減速機、25・・・パイロットライン、26・・・操作装置、26A、26B・・・レバー、26C・・・ペダル、27・・・油圧ライン、28・・・油圧ライン、29・・・圧力センサ、30・・・コントローラ、31・・・速度指令変換部、32・・・駆動制御装置、40・・・旋回駆動制御装置、50・・・駆動指令生成部、51・・・減算器、52・・・PI制御部、53・・・トルク制限部、58・・・旋回動作検出部、60・・・主制御部