JP5873458B2 - ショベル及びショベルの旋回制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ブーム、アーム、バケットを備えた旋回部を旋回駆動させるショベルに関する。

従来のパワーショベルは、図５、図６に示す構成を備えていた。まず、図５に示すように、エンジン４０で油圧回路のポンプ４１を駆動し、このポンプ４１で発生した油圧でコントロールバルブ４２を介して作業機駆動用油圧シリンダー４４、油圧旋回モータ４３および油圧走行モータ４６を駆動していた。なお、４５はセンタージョイント、４８は走行部、４９は旋回部、５０は作業部である。

図６は油圧系を示すブロック図である。この系を構成する油圧回路は、エンジン４０にカップリングした油圧ポンプ４１から直接コントロールバルブ４２に連結し、コントロールバルブ４２から油圧シリンダー４４に給排出する回路、油圧旋回モータ４３に給排出する回路、油圧走行モータ４６に給排出する回路が接続された回路になっていた。

この回路では、圧力源である油圧ポンプ４１に対し、負荷を構成する各種油圧モータ４３，４６及び油圧シリンダー４４等のアクチュエータの複数対象同時制御を行っていた。また、４７は作動油タンク、４８は走行部、４９は旋回部、５０は作業部（ブーム，アーム，バケット）であり、油圧系は駆動力を発生する必要性から高圧回路部分を有していた。

しかしながら、上記のような油圧回路は、接続部からの油漏れ、油の膨張伸縮特性に基づく応答性の悪さ、制御および切換の衝撃による制御の困難さの問題があった。

また、上記のような油圧駆動方式では、運転者が操作レバーを操作した場合、アクチュエータの負荷と油圧バルブの開口特性により油圧馬力配分がされ、負荷の軽いアクチュエータに圧油が流れ易くなる結果、機械全体の動作に偏りができることにより、操作者はその都度操作レバーで調整する必要があったため、複数負荷同時制御時のポンプ流量圧の不十分さに基づく操作性の悪さ、等の問題点があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、応答性と操作性を向上した、ブーム、アーム、バケットを備えた旋回部を旋回駆動させるショベルを提供することを目的としている。

本発明において、上記目的を達成するために、ブーム、アーム及びバケットを含む作業機と、作業機を備えた旋回部と、を有するショベルにおいて、電源と、電源に接続されるコンバータと、コンバータに接続される第１のインバータと、第１のインバータに接続される旋回駆動装置の駆動源である旋回用電動機と、コンバータに接続される第２のインバータと、第２のインバータに接続される作業機用電動機と、旋回用電動機の回転数を検出するエンコーダと、CPUを有するコントローラであって、各種モードを設定可能なモードスイッチ、作業機用の操作レバー、旋回部の旋回用の操作レバーからの設定操作信号及び、エンコーダの検出データに基づいて所定のプログラム演算処理を行い、その演算結果により第１のインバータ及び第２のインバータの出力を変化させ、旋回用電動機及び作業機用電動機を関連付けて制御する前記コントローラと、コンバータと前記第１のインバータとの間には、コンデンサーが備えられることを特徴とする。

そこで、上記ブーム、アーム、バケットを備えた旋回部を旋回駆動させるショベルによれば、操作レバーの操作設定に応じてコントローラで所定の演算を行い、インバータにより前記演算結果に制御精度高く、且つ個別に応答してそれぞれの応答性よく電動機を制御ですることができる。

また、コントローラにより両方のインバータを任意の設定で並列運転できるので、作業機用アクチュエータの駆動と旋回駆動装置の駆動との複合操作が容易にできる。

さらに、電動機の回転数をエンコーダで検出するので、その検出データをコントローラの処理しやすいコードデータとすることができる。

本発明は、応答性及び操作性のよいＡＣ電動機を各駆動源に用い、個別に制御可能なコンバータおよびインバータからなる電力制御手段を介して作業機用アクチュエータを駆動するＡＣ電動機および旋回用ＡＣ電動機を制御するようにしたので、従来の油圧駆動では容易でなかった複数負荷同時制御が容易になった。また、複数負荷同時制御が容易になったことから、複合操作時の操作性が格段に向上した。

モードスイッチによって幅広い作業モードの選定を可能にしたので、操作レバーの設定操作と相まって操作性が向上した。インバータの出力は、高調波出力になっているので、高調波の分、制御出力を細かくでき、且つ制御入力も細かく設定できるようになった。

本発明の第１実施例の建設機械の模式図である。 本発明の第１実施例における電力制御系のブロック図である。 本発明の第１実施例における機械全体の制御系のブロック図（点線部分は第２実施例の部分）である。 本発明の参考例を示す建設機械（クレーン）の模式図である。 従来の油圧ショベルにおける配置を含めた油圧系ブロック図である。 従来の油圧ショベルにおける油圧系ブロック図である。

以下に本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。（第１の実施の態様）図１は本発明の第１実施例を示すショベルの模式図であり、図２はそのショベルのモータへの電力制御系のブロック図、図３はその全体の制御系のブロック図である。

図２において、１は電源であり、交流でも直流でも使える。２は電圧・電流検出器であり、電源電圧および電源電流を検出する。

３はコンバータ（変換器）であり、電源出力を直流に直す機能を備えている。４，５はインバータ（変換器）であり、コンバータ３の出力を高周波交流出力に変換する。６，７は電圧・電流検出器であり、インバータ４，５の出力電圧および出力電流を検出する。８，１０はＡＣ（交流）電動機であり、インバータ駆動されるのに適した特性の誘導電動機である。９，１１はエンコーダであり、ＡＣ電動機８，１０の回転数を検出してコードデータを出力する。

１２はモードスイッチであり、作業機用および旋回用電動機・電動発電機への電力投入割合をモード選定機能により複数通りの作業パターンに選定可能にしたり、コントローラ１４のプログラム制御により各種のモード設定を可能とし、例えば、複合動作時各電動機に均等に電力配分する標準モード、作業機スピードを優先し多く電力配分する作業機優先モード、旋回スピードを優先し多く電力配分する旋回優先モード、作業機部および旋回部に速度一定、最高速度制限等の制限を行う速度補償モード等のモード設定を可能とし、各ＡＣ電動機８，１０の単独運転、並列運転、作業を容易にする定速モード、負荷に応じた変速モード等の運転モードを選択する入力手段である。操作者は作業条件、熟練度に応じモード選定を行い、最もやりやすい操作条件を確保できるので、作業効率を向上させることができる。

１３は操作レバーであり、操作に応じて種々の設定操作信号を出力する。作業機用と旋回用との別々の操作レバーを設けてもよく、共用するようにしてもよい。また、モードスイッチ１２と連動するようにしてもよい。

１４はコントローラ（制御装置）であり、プログラム可能なＣＰＵを備え、電圧・電流検出器２，６，７およびエンコーダ９，１１からの検出データに基づき、モードスイッチ１２および操作レバー１３からの入力に応じて、コンバータ３およびインバータ４，５を制御して、ＡＣ電動機８，１０を個別または並列に制御する。

２７はコンデンサーである。

図３はその制御系全体のブロック図（点線部分は参考例の部分）である。

この図において、コントローラ１４は、基本的に、入出力ポート、ＣＰＵ、メモリからなる。入力ポートには、操作レバー１３、エンコーダ９，１１、電圧・電流検出器２，６，７、ブーム、アーム、バケット等の作業機用のアクチュエータの伸縮状況を検出する伸縮検出センサ１５、荷重検出センサ１６、旋回角度検出センサ１７およびモードスイッチ１２が接続されている。出力ポートには、コンバータ３、インバータ４，５、モニター装置１８が接続されている。

以上のように構成された上記第１実施例のショベルについて、以下その動作を説明する。

まず、モードスイッチ１２によって、コントローラ１４の作業機用ＡＣ電動機８並びに旋回用ＡＣ電動機１０の駆動態様を設定し、メモリに登録しておく。次に、操作レバー１３の操作によって設定操作信号を出力する。コントローラ１４は、前記操作設定信号、エンコーダ９，１１からの回転数データ、電圧・電流検出器２，６，７からの電圧値、電流値を取り込むと共に、メモリに記憶してあるテーブル等を検索して、所定のプログラムを実行し、コンバータ３およびインバータ４，５を周波数制御、位相制御、デューテイ比制御等の制御を行って、ＡＣ電動機８，１０に所定の動作を行わせる。インバータ４，５の出力は、高調波出力になっているので、制御出力を細かくでき、且つ制御入力も細かく設定でき、操作性がよい。

（作業機用ＡＣ電動機の動作態様）
コントローラ１４は、操作レバー１３の設定操作信号に応じてインバータ４の出力を変化させて、作業機用ＡＣ電動機８を駆動してブーム、アーム、バケットの伸縮駆動を行う。

その際、伸縮検出センサ１５の検出データに基づいて、例えば、コントローラ１４は、伸縮動作の始めはリニヤに速度を上げ、途中は一定速度で、終わりはリニヤに速度を下げるように制御する。これにより、ソフトスタート、ソフトランデイングが達成できる。また、コントローラ１４は、荷重検出センサ１６の検出データに応じて、作業機用ＡＣ電動機８の速度を、軽負荷の場合は速度を早く、重負荷の場合は速度を遅く制御することができる。

（旋回用ＡＣ電動機の動作態様）
コントローラ１４は、操作レバー１３の設定操作信号に応じてインバータ５の出力を変化させて、旋回用ＡＣ電動機１０を駆動して作業機を旋回させる。

その際、単位時間毎の旋回角度検出センサ１７の出力を演算し、また、荷重検出センサ１６の検出データを求め、これらから作業部の慣性力を演算して求め、この慣性力が所定の範囲に収まるように旋回用ＡＣ電動機１０を制御する。また、操作レバー１３、モードスイッチ１２の設定操作信号により、定速制御に設定したとき、コントローラ１４は、エンコーダ１１の検出データを読み込みながら、インバータ５を制御して、旋回用ＡＣ電動機１０を定速制御する。

（複合動作の動作態様）
コントローラ１４は、作業機用ＡＣ電動機８と旋回用ＡＣ電動機１０との複合作業のとき、例えば、作業を容易にするために、旋回用ＡＣ電動機１０を旋回角度検出センサ１７およびエンコーダ１１の検出データを基に定速で駆動しながら、操作レバー１３の設定操作信号に応じて作業機用ＡＣ電動機８を変速で駆動するようにインバータ４，５を制御することもできる。

その他、コントローラ１４は、操作レバー１３およびモードスイッチ１２の設定操作信号により、作業機用ＡＣ電動機８と旋回用ＡＣ電動機１０を任意の関係に関連させて動作するようにインバータ４，５を制御することができる。

図４は本発明の参考として示す建設機械（クレーン）の模式図である。なお、この参考例における巻き上げ検出センサは図３では点線で示している。この建設機械（クローラクレーン）は、この図に示すように、吊り荷揚重用電動ウインチ用（作業機用）ＡＣ電動機２１、ブーム起伏用電動ウインチ用（作業機用）ＡＣ電動機２２、旋回用ＡＣ電動機２３を備えており、巻き上げ検出センサ１９の出力に基づき第１実施例と同様に、変換機制御される。なお、２４は走行用電動機、２５はブーム、２６はフックである。

（他の実施の態様）
電源は、エンジンとカップリングした発電機、燃料電池、商用電源などがあり、これらのバッテリバックアップも選択的に行われる。インバータの後段に２段目のコンバータを接続すれば、電動機としてＤＣ（直流）電動機、パルスモータ等が使える。なお、操作レバー１３およびモードスイッチ１２は、代替手段として、無線または有線の遠隔操作手段に置き換えることもできる。なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

１ 電源
２，６，７ 電圧・電流検出器
３ コンバータ
４，５ インバータ
８ 作業機用ＡＣ電動機
９，１１ エンコーダ
１０ 旋回用ＡＣ電動機
１２ モードスイッチ
１３ 操作レバー
１４ コントローラ（制御装置）
１５ 伸縮検出センサ
１６ 荷重検出センサ
１７ 旋回角度検出センサ
１８ モニター装置
２１ 吊り荷揚重用電動ウインチ用（作業機用）ＡＣ電動機
２２ ブーム起伏用電動ウインチ用（作業機用）ＡＣ電動機
２３ 旋回用ＡＣ電動機
２４ 走行用電動機
２５ ブーム
２６ フック
２７ コンデンサー

Claims (5)

1. ブーム、アーム及びバケットを含む作業機と、
   前記作業機を備えた旋回部と、を有するショベルにおいて、
   電源と、
   該電源に接続されるコンバータと、
   該コンバータに接続される第１のインバータと、
   該第１のインバータに接続される旋回駆動装置の駆動源である旋回用電動機と、
   前記コンバータに接続される第２のインバータと、
   前記第２のインバータに接続される作業機用電動機と、
   該旋回用電動機の回転数を検出するエンコーダと、
   CPUを有するコントローラであって、各種モードを設定可能なモードスイッチ、前記作業機用の操作レバー、前記旋回部の旋回用の操作レバーからの設定操作信号及び、前記エンコーダの検出データに基づいて所定のプログラム演算処理を行い、その演算結果により前記第１のインバータ及び前記第２のインバータの出力を変化させ、前記旋回用電動機及び前記作業機用電動機を関連付けて制御する前記コントローラと、
   前記コンバータと前記第１のインバータとの間には、コンデンサーが備えられることを特徴とするショベル。
2. 前記電源と、前記コンバータとの間には、電圧検出器が備えられ、
   該電圧検出器の検出値は前記コントローラへ入力されるとともに、前記コントローラは前記コンバータを制御する請求項１に記載のショベル。
3. 前記第１のインバータは、前記コンバータと直流接続され、かつ、前記旋回用電動機と交流接続される請求項１または２に記載のショベル。
4. 前記第１のインバータと前記旋回用電動機との間には、電流検出器が備えられ、
   該電流検出器の検出値は前記コントローラへ入力される請求項１乃至３のいずれか一項に記載のショベル。
5. 前記コントローラは複数の制御モードを有し、前記コントローラは、前記複数のモードのうち設定された制御モードに基づいて前記所定の演算処理を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のショベル。
   

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