JP5298861B2

JP5298861B2 - 作業機械の旋回制御装置

Info

Publication number: JP5298861B2
Application number: JP2009001003A
Authority: JP
Inventors: 昌之小見山; 昌之鹿児島; 啓介下村
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2009-01-06
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-01-06
Also published as: JP2010159549A

Description

本発明は電動機によって旋回体を旋回駆動するショベル等の作業機械の旋回制御装置に関するものである。

電動旋回方式をとる作業機械において、比例制御のみによって旋回制御を行う場合に次の問題が生じる。

（Ａ）傾斜地にて下方向に旋回（以下、下り旋回という）している旋回体を途中で停止させる場合に、旋回体には自重方向へ動き続けようとするトルクが働くため、旋回操作手段（以下、レバー操作式の場合を例にとり、この操作をレバー操作という）を中立に戻しても旋回体は完全に停止せず、動き続けようとする。すなわち、下り旋回停止の性能が悪い。

（Ｂ）逆に傾斜地にて停止状態から上方向に旋回（以下、上り旋回という）させる場合に、レバー操作量が小さいと十分な起動トルクが発生せず、旋回体がレバー操作方向と逆方向に動く所謂逆行が生じる。すなわち、上り旋回起動の性能が悪い。

従来、これらの問題の解決策として特許文献１、２に示されたものが公知である。

特許文献１には、レバー操作量に応じた目標速度（この明細書でいう「速度」はすべて旋回速度をさす）が所定の閾値を下回る場合に、制御系の変更を行う技術（公知技術の１という）が開示されている。

制御系の変更とは、具体的には比例制御から比例積分制御、あるいは速度制御から位置制御への変更、または速度ゲインの変更等である。

一方、特許文献２には、レバー操作量に応じた目標速度と実速度の偏差に応じて比例的に求めた第１トルク指令値と、速度０を維持する（その場保持を行う）ために求めた第２トルク指令値のうち高位選択を行う技術（公知技術の２という）が開示されている。

国際公開第２００５／１１１３２２号パンフレット特開２００８−２３１９０３号公報

しかし、公知技術の１によると、弊害として、制御系の切換点においてトルクが不連続に変動し、スムーズで安定した制御を行うことができない。

一方、公知技術の２によると、前記（Ｂ）の上り旋回起動の性能は改善できるが、（Ａ）の下り旋回停止の課題は解決できない。

なお、（Ａ）（Ｂ）の課題は、積分制御を常時働かせる構成をとることによって解決できると考えられる。しかし、こうすると弊害として、たとえばバケットを溝の壁面に押し付けて壁面を掘削または整形する押し付け作業時に、積分量が蓄積され続ける結果、作業終了後の旋回時に、上記蓄積された積分量によるトルク出力によって旋回体がオペレータの意図しない動きをするおそれがある。

そこで本発明は、下り旋回停止性能及び上り旋回起動性能を改善しながら、トルクの不連続な変動や、オペレータの意図しない動きが発生せず、スムーズで安定した制御を行う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、この旋回電動機に対する旋回指令を出す操作手段と、この操作手段の操作量を検出する操作量検出手段と、実際の旋回速度を検出する実速度検出手段と、上記旋回電動機に対するトルク指令値を生成し出力する制御手段とを具備し、この制御手段は、上記操作量から演算した目標速度と上記実速度検出手段によって検出された実速度との偏差に応じた比例積分制御によってトルク指令値を算出し、かつ、上記比例積分制御の制御定数を、上記操作量に応じて、大操作量で積分項が小さくなる方向に連続的に変化させ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、比例積分制御の積分量は忘却型であり、その積分時間を操作量に応じて、大操作量で小さくなる（過去の偏差の蓄積を早く忘れる）方向に変化させるように構成されたものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、積分ゲインを操作量に応じて、大操作量で小さくなる方向に変化させるように構成されたものである。

本発明によると、比例積分制御を行うことにより、下り旋回停止時に十分な制動トルクを働かせて旋回体を確実に停止させ、上り旋回起動時には十分な起動トルクを発生させて旋回体の逆行を防止することができる。

すなわち、下り旋回停止性能及び上り旋回起動性能をともに改善することができる。

しかも、比例積分制御の制御定数（請求項２では積分時間、請求項３では積分ゲイン、または積分時間と積分ゲイン）を操作量に応じて、大操作量で積分項が小さくなる（小操作量で大きくなる）方向に変化させるため、いいかえれば、操作量が小さくて比例制御のみでは十分なトルクを発生できないケースに限って比例積分制御を効かせる（目標速度が大きいときには積分の効きを弱くする）ため、積分量の蓄積によるオペレータの意図しない動きの発生という弊害が生じない。

なお、上記「操作量」は、操作量によって決まる目標速度と実質的に同じであるため、制御定数を、操作量から設定された目標速度に応じて変化させるようにしてもよい。

また、上記制御定数を連続的に変化させる（オン／オフ的な切換えではない）ため、制御系を切換える公知技術の１のようなショックが発生せず、スムーズで安定した制御を行うことができる。

この場合、請求項２の発明によると、積分量を忘却型、すなわち、過去のデータを徐々に忘れながら、より新しいデータに適応するように積分時間を操作量に応じて変化させるため、旋回停止時の「揺れ戻り」を抑制できるとともに、積分時間を変化させることにより、比例項と積分項の寄与度を望ましい割合に変えることができる。

また、積分ゲインを変化させる場合と比較して、積分時間を変えることによって発生した定常偏差の蓄積量が小さくなるため、減速停止時の挙動が安定したものとなる。

本発明の適用対象であるショベルの概略側面図である。本発明の実施形態を示す制御系のブロック構成図である。実施形態におけるレバー操作量に対する目標旋回速度のマップを示す図である。実施形態におけるレバー操作量に対する積分時間のマップを示す図である。実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。（ａ）（ｂ）は積分ゲインを変化させる場合の時間と目標速度、実速度との関係及び時間と速度積分値の関係をそれぞれ示す図である。積分時間を変化させる場合の図６対応図である。

実施形態ではショベルを適用対象として例にとっている。

ショベルは、図１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、及びこれらを作動させる油圧アクチュエータとしてのブーム、アーム、バケット各シリンダ（油圧シリンダ）６〜８から成る作業アタッチメントＡが装着されて構成され、掘削、積み込み作業等を行う。

図２にこのショベルの駆動・制御系のブロック構成を示す。

エンジン９に油圧ポンプ１０が接続され、この油圧ポンプ１０の吐出油が油圧アクチュエータ（上記各油圧シリンダ６〜８及び図示しない走行モータ）にコントロールバルブ１１を介して供給される。

一方、エンジン９の出力は増速機構１２を介して発電電動機１３に加えられ、この発電電動機１３で作られた電力が、電圧及び電流を制御する制御器１４を介してバッテリ１５に蓄えられるとともに、インバータ１６を介して旋回用電動機１７に加えられる。

また、適時、バッテリ１５の蓄電力により発電電動機１３が電動機作用を行ってエンジン９をアシストする。

旋回用電動機１７には、機械的ブレーキ力を発生させるネガティブブレーキとしてのメカニカルブレーキ１８が設けられ、このメカニカルブレーキ１８が解除された状態で、旋回用電動機１７の回転力が旋回用減速機構１９経由で上部旋回体２に伝えられて同旋回体２が左または右に旋回する。

２０は旋回操作手段兼操作量検出手段としての旋回操作部（たとえばポテンショメータ）で、この旋回操作部２０がレバー２０ａによって操作され、その操作量に応じた指令信号が制御手段としてのコントローラ２１に入力される。

また、旋回用電動機１７の回転速度（上部旋回体２の実際の旋回速度）を検出する実速度検出手段としての速度センサ２２が設けられ、この速度センサ２２からの実速度信号がコントローラ２１に制御データとして入力される。

コントローラ２１には、図３に示すレバー操作量／目標速度マップと、図４に示すレバー操作量／積分時間マップとが記憶されている。

図３のレバー操作量／目標速度マップは、左右両旋回方向について、旋回操作部２０のレバー操作量（以下、単にレバー操作量という）が大きくなるに従って目標速度が大きくなるように、かつ、図示のようにレバー操作量の増減に応じて目標速度が滑らかに変化するように急激な変化を伴わない曲線として設定されている。

図４のレバー操作量／積分時間マップは、レバー操作量が大きくなるほど制御定数の一つである積分時間Ｔｉが小さくなるように無段連続的に、かつ、滑らかに変化させる曲線として設定されている。

なお、図４のマップにおいて、「レバー操作量」は目標速度と言い換えることができる。

コントローラ２１は、レバー操作量と図３，４のマップとに基づいてトルク指令値を求め、これをインバータ１６に出力する。この点を含めたこの制御装置の作用を図５のフローチャートによって詳述する。

この実施形態では、忘却型の比例積分制御で、その積分時間を操作量に応じて、大操作量で小さくなる（過去の偏差の蓄積を早く忘れる）方向に変化させるように構成している。

制御開始とともにステップＳ１で、レバー操作量と図３のマップとに基づいて目標速度Ｖ０を設定する。

続くステップＳ２で、速度センサ２２からの速度信号による実速度Ｖ１を読み込むとともに、ステップＳ３で目標速度Ｖ０とこの実速度Ｖ１の偏差（ΔＶ＝Ｖ０−Ｖ１）を求める。

次いで、ステップＳ４で図４のマップから積分時間Ｔｉを設定し、ステップＳ５で積分量ΔV_―sumを次の式（１）によって算出する。

ΔV_―sum＝ΔV_―sum−ΔV_―sum／Ｔｉ＋ΔＶ…式（１）
また、ステップＳ６でトルク指令値Ｔを次の式（２）で算出する。

Ｔ＝Ｋｐ×ΔＶ＋Ｋｉ×ΔＶ_―sum…式（２）
Ｋｐは定数、Ｋｉは積分ゲインである。

そして、ステップＳ７で、この算出されたトルク指令値Ｔをインバータ１６に出力する。

このように、比例積分制御を行うことにより、
Ｉ．傾斜地での下り旋回停止時に、十分な制動トルクを発生させて上部旋回体２を確実に停止させることができる。

ＩＩ．傾斜地での上り旋回起動時には、十分な起動トルクを発生させて上部旋回体２の逆行を防止することができる。

しかも、図４に示すように、比例積分制御の制御定数（実施形態では積分時間Ｔｉ）を、大操作量で積分項が小さくなる（小操作量で大きくなる）方向に変化させるため、いいかえれば、操作量（目標速度）が小さくて比例制御のみでは十分なトルクを発生できないケースに限って比例積分制御を効かせる（目標速度が大きいときには積分の効きを弱くする）ため、たとえば押し付け作業後の旋回時に、それまでの積分量の蓄積によって上部旋回体２がオペレータの意図しない動きをしてしまうという弊害が生じるおそれがない。

また、図４に示すように制御定数を、オン／オフ的に切換えるのではなく連続的に変化させるため、制御系を切換える場合のようなショックが発生せず、スムーズで安定した制御を行うことができる。

ここで、実施形態では、積分量を忘却型、すなわち、過去のデータを徐々に忘れながらより新しいデータに適応するように積分時間を操作量に応じて変化させるため、積分データの蓄積量が少なくなることから、旋回停止時の「揺れ戻り」を抑制できる効果があるとともに、積分時間を変化させることにより、比例項と積分項の寄与度を望ましい割合に変えることができる。

ところで、本発明においては、積分時間でなく積分ゲインをレバー操作量に応じて連続的に変化させる構成をとってもよい。

但し、積分時間を変化させる場合は、積分ゲインを変化させる場合と比較して、減速停止時の挙動が安定したものとなる。

これを図６，７によって説明する。

図６（ａ）は積分ゲインを変化させる場合であって、定常時の作業時間が短い場合を示し、上側は時間と目標速度及び実速度との関係、下側は時間と速度積分値の関係をそれぞれ示す。

これに対し、図６（ｂ）は積分ゲインを変化させる場合であって、図６（ａ）と比較して定常時の作業時間が長い場合を示す。

図７は積分時間を変化させる場合の図６対応図である。

積分ゲインを変化させる場合は、ゲインを小さくすることによって積分項は小さくなるが、これによって発生した定常偏差は積分値に足し合わされ、定常時の作業時間によってその後の挙動に変わってしまう。

この結果、図６（ａ）（ｂ）の黒点で示す減速開始時の積分値が定常時の作業時間の長さによって大きく変化し、停止時挙動に影響を与える。

一方、積分時間を変化させる場合は、図７に示すように忘却することで定常偏差の蓄積量が小さくなって積分値が安定するため、停止時の挙動が安定したものとなる。

なお、本発明において、操作量に応じた制御定数の「連続的な変化」とは、ショックが発生せずスムーズで安定した制御を行う観点で上記実施形態のように無段連続的な（曲線状の）変化であるのが望ましいが、急激な変化でないことを条件として段階的な変化であってもよい。

２旋回体（ショベルの上部旋回体）
１７旋回用電動機
２０旋回操作手段兼操作量検出手段としての旋回操作部
２０ａ旋回操作部のレバー
２１制御手段としてのコントローラ
２２実速度検出手段としての速度センサ

Claims

旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、この旋回電動機に対する旋回指令を出す操作手段と、この操作手段の操作量を検出する操作量検出手段と、実際の旋回速度を検出する実速度検出手段と、上記旋回電動機に対するトルク指令値を出力する制御手段とを具備し、この制御手段は、上記操作量から演算した目標速度と上記実速度検出手段によって検出された実速度との偏差に応じた比例積分制御によってトルク指令値を算出し、かつ、上記比例積分制御の制御定数を、上記操作量に応じて、大操作量で積分項が小さくなる方向に連続的に変化させ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。
比例積分制御の積分量は忘却型であり、その積分時間を操作量に応じて、大操作量で小さくなる方向に変化させ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。
積分ゲインを操作量に応じて、大操作量で小さくなる方向に変化させるように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械の旋回制御装置。