JP5968819B2 - 電動旋回制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動旋回制御装置に関する。

従来、旋回用電動モータに対する速度指令に加速度制限を持たせることで起動時のショックを小さくするとともにその加速度制限を多段階に切り換えることで作業効率の低下を抑えるようにした建設機械の旋回制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。なお、速度指令は、旋回操作レバーの操作内容に応じて変化する値である。

特開２０１１−９４４５１号公報

しかしながら、特許文献１は、旋回体の慣性モーメントが大きいとき、或いは、外力による旋回負荷が大きいときに、速度指令に追従するために必要な所要旋回トルクが旋回用電動モータの許容最大トルク値を超え、速度指令に追従できない場合については言及していない。

上述の点に鑑み、本発明は、所要旋回トルクが大きく速度指令に追従できない場合にも適切に対処できる電動旋回制御装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係る電動旋回制御装置は、旋回用電動機を制御する電動旋回制御装置であって、旋回操作レバーの操作内容を速度指令に変換する速度指令変換部と、前記旋回用電動機による旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定するトルク判定部と、前記トルク判定部の判定結果に基づいて前記速度指令の増減を制御する速度指令増減制御部と、を有する。

上述の手段により、本発明は、所要旋回トルクが大きく速度指令に追従できない場合にも適切に対処できる電動旋回制御装置を提供することができる。

本発明の実施例に係るハイブリッド式ショベルの側面図である。 図１のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。 図１のハイブリッド式ショベルの蓄電系の構成例を示すブロック図である。 図１のハイブリッド式ショベルの旋回駆動制御部の構成例を示す制御ブロック図である。 速度指令増減制御処理の流れを示すフローチャートである。 慣性モーメントが大きい状態にある上部旋回体を旋回させる際の各種物理量の時間的推移を示す図である。 引きずり旋回の際の各種物理量の時間的推移を示す図である。

図１は、本発明が適用されるハイブリッド型作業機械の一例であるハイブリッド式ショベルを示す側面図である。

ハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載される。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられる。ブーム４の先端には、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられる。掘削アタッチメントを構成するブーム４、アーム５及びバケット６は、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によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は、図１に示すハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線（太線）、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線（細線）でそれぞれ示される。

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、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続される。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続される。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が接続される。メインポンプ１４は斜板式可変容量型油圧ポンプであり、斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量を制御することができる。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。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、並びにバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。以下では、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、並びにバケットシリンダ９を総称して「油圧アクチュエータ」とする。

電動発電機１２には、インバータ１８を介して、蓄電器を含む蓄電系１２０が接続される。電動発電機１２とインバータ１８とで電動発電系が構成される。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は、旋回操作レバー２６Ａ、油圧アクチュエータ操作レバー２６Ｂ、油圧アクチュエータ操作ペダル２６Ｃを含む。旋回操作レバー２６Ａ、油圧アクチュエータ操作レバー２６Ｂ、及び油圧アクチュエータ操作ペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続される。

また、図２に示すハイブリッド式ショベルは旋回機構を電動にしたもので、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられる。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続される。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、及び旋回変速機２４が接続される。インバータ２０、旋回用電動機２１、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４で負荷駆動系が構成される。

コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、内部メモリ等を含む演算処理装置で構成され、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）、及び、旋回用電動機２１の運転制御（力行運転又は回生運転の切り替え）を行う。また、コントローラ３０は、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータを駆動制御することによる蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。

具体的には、コントローラ３０は、蓄電器（キャパシタ）の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切り替え制御を行い、これにより蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。

昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作との切り替え制御は、ＤＣバスに設けられたＤＣバス電圧検出部によって検出されるＤＣバス電圧値、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値、及び、蓄電器電流検出部によって検出される蓄電器電流値に基づいて行われる。

さらに、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値に基づいて、蓄電器（キャパシタ）のＳＯＣ(State Of Charge)が算出される。また、上述では蓄電器の一例としてキャパシタを示したが、キャパシタの代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。

図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９、昇降圧コンバータ１００、及び、ＤＣバス１１０を含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び、旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３とが設けられる。キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及び、キャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作とを切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８、２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の間で電力の授受を行う。

以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力、及び、旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ１８、２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

ここで、コントローラ３０の詳細について説明する。電動旋回制御装置としてのコントローラ３０は、駆動制御部３２、旋回駆動制御部４０、及び主制御部６０を含む。駆動制御部３２、旋回駆動制御部４０、及び主制御部６０のそれぞれは、例えば、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って実現される機能要素である。

駆動制御部３２は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行う。また、駆動制御部３２は、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。

旋回駆動制御部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。

図４は、旋回駆動制御部４０の構成を示す制御ブロック図であり、旋回駆動制御部４０は、速度指令変換部３１と、旋回用電動機２１を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成部５０とを含む。

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、旋回操作レバー２６Ａの操作内容は、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、駆動制御部３２及び駆動指令生成部５０に入力される。

具体的には、速度指令変換部３１は、速度指令生成部３５及びスルーレート制限部３６を含む。

速度指令生成部３５は、旋回操作レバー２６Ａの操作内容から目標速度指令を生成する機能要素である。本実施例では、速度指令生成部３５は、旋回操作レバー２６Ａの操作方向に応じて旋回方向を表す符号（正負）を決定し、且つ、旋回操作レバー２６Ａの操作量に応じて目標速度指令の大きさ（絶対値）を決定する。そして、速度指令生成部３５は、決定した目標速度指令をスルーレート制限部３６に対して出力する。

スルーレート制限部３６は、速度指令生成部３５から受けた入力信号としての目標速度指令に基づいて出力信号としての速度指令を生成する機能要素である。本実施例では、スルーレート制限部３６は、新たな目標速度指令を受けた時点から所定のスルーレートで出力信号としての速度指令を目標速度指令に達するまで変化させながら、制御周期毎に速度指令を出力する。なお、スルーレートは、速度指令に関する最大応答速度であり、例えば、速度指令値ゼロから所定の速度指令の値（以下、「速度指令値」とする。）に達するまでに要する時間（制御周期の数）でその所定の速度指令の値を除した値である。具体的には、速度指令値Ｖ(rad/s)に達するまでに１０回の制御周期を要するのであれば、スルーレートは、１制御周期当たりＶ／１０(rad/s)である。

なお、スルーレート制限部３６は、出力信号としての速度指令値が目標速度指令値に達した後は、目標速度指令が変更されない限り、すなわち、旋回操作レバー２６Ａの操作内容が変更されない限り、その目標速度指令値に等しい速度指令値を出力する。また、スルーレート制限部３６は、直近に出力した速度指令値に応じてスルーレートを変更してもよい。

このようにして、速度指令変換部３１は、入力信号としての目標速度指令に対する出力信号としての速度指令の増減幅を制限する。そして、速度指令変換部３１は、旋回操作レバー２６Ａの操作内容に応じた速度指令を制御周期毎に駆動指令生成部５０に対して出力する。その結果、レバー操作量に対応する旋回速度に到達するまでの時間が長くなる。つまり、一連の旋回加速動作における加速度を小さくできる。

駆動指令生成部５０は、速度指令変換部３１が出力する速度指令に基づき駆動指令を生成する。そして、駆動指令生成部５０は、生成した駆動指令をインバータ２０に対して出力する。また、インバータ２０は、駆動指令生成部５０が出力する駆動指令の値（以下、「駆動指令値」とする。）に基づくＰＷＭ制御信号により旋回用電動機２１を交流駆動する。

なお、旋回駆動制御部４０は、旋回操作レバー２６Ａの操作量に応じて旋回用電動機２１を駆動制御する際に、力行運転と回生運転の切り替え制御を行うと共に、インバータ２０を介してキャパシタ１９の充放電制御を行う。

駆動指令生成部５０は、減算器５１、ＰＩ(Proportional Integral)制御部５２、トルク制限部５３、及び旋回動作検出部５８を含む。

減算器５１は、速度指令変換部３１から速度指令値を受け、その速度指令値（rad/s）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)を減算して速度偏差を出力する。この速度偏差は、後述するトルク電流指令生成部としての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から入力される速度偏差に基づき、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値に近づけるように（すなわち、この速度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指令を制御周期毎に演算・生成する。生成されたトルク電流指令は、トルク制限部５３に入力される。

トルク制限部５３は、トルク電流指令によって生じるトルク（絶対値）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指令の値（以下、「トルク電流指令値」とする。）を制限する。このトルク電流指令値の制限は、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。

また、トルク制限部５３は、トルク電流指令によって生じるトルク（絶対値）が旋回用電動機２１の許容最大トルク値以下の場合であっても、一回の制御周期におけるトルク電流指令値の増減幅が所定幅以上であれば、その増減幅を所定幅に制限し、トルク電流指令値が急激に増減するのを防止してもよい。

このように、トルク制限部５３は、増減幅にローパスフィルタを適用することによって、すなわち、所定幅未満の増減幅をそのまま採用し、所定幅以上の増減幅をその所定幅に制限することによって、トルク電流指令値が急激に増減するのを防止できる。

また、トルク制限部５３は、旋回操作レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令値を制限してもよい。この制限処理は、旋回操作レバー２６Ａの操作量の増加に伴ってトルク電流指令値の許容値（絶対値）が緩やかに増加する制限特性に基づいて行われる。このようなトルク電流指令値の制限は、ＰＩ制御部５２によって演算されるトルク電流指令値が急激に増加すると制御性が悪化するため、これを抑制するために行われる。なお、このトルク電流指令値の制限は、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。また、制限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、主制御部６０のＣＰＵによって読み出され、トルク制限部５３に入力される。

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の旋回位置）を検出する。また、旋回動作検出部５８は、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に入力される。

このようにして、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を駆動するためのモータ電流を出力するインバータ２０に対する駆動指令を生成する。

その結果、旋回用電動機２１は、モータ電流に応じたトルクを発生させ、上部旋回体３を所望の位置まで旋回させる。なお、上部旋回体３は、旋回用電動機２１が発生させるトルクと、上部旋回体３に対する外力との合計トルクによって旋回される。典型的には、上部旋回体３は、旋回用電動機２１が発生させるトルクから、上部旋回体３に対する外力を差し引いた正味トルクによって旋回される。なお、上部旋回体３に対する外力は、上部旋回体３の旋回を助長する力（旋回促進力）となり得る場合もあるが、ここでは、上部旋回体３に対する外力が上部旋回体３の旋回を阻止しようとする力（旋回抗力）である場合について説明する。

すなわち、旋回用電動機２１が発生させるトルクが一定であれば、旋回抗力が大きいほど正味トルクは小さくなり、上部旋回体３の旋回加速度は小さくなる。その結果、上部旋回体３の実旋回速度が上昇しにくく、速度指令値と実旋回速度との間の差（速度偏差）が大きくなる。

なお、上部旋回体３に対する外力は、例えば、上部旋回体３の自重及び姿勢による力を含む。具体的には、ショベルが傾斜面に位置する場合に上部旋回体３を傾斜面の下方に旋回させようとする力（操作方向によっては旋回抗力とも旋回促進力ともなり得る力）、上部旋回体３の旋回を阻止しようとする力（旋回抗力としての慣性力）を含む。また、上部旋回体３に対する外力は、旋回中の上部旋回体３と接触する物体による力（旋回抗力としての旋回反力）を含む。具体的には、引きずり旋回の際にバケット６の側方（旋回方向）にある土砂による旋回負荷を含む。

また、上部旋回体３の実旋回速度は、図４に示すように、正味トルクを上部旋回体３の慣性モーメントＪで除することによって得られる加速度を積分した値である。そのため、慣性モーメントＪが大きいほど上部旋回体３の旋回加速度は小さくなる。その結果、上部旋回体３の実旋回速度が上昇しにくく、速度指令値と実旋回速度との間の差（速度偏差）が大きくなる。なお、慣性モーメントＪは、ショベルの姿勢、掘削アタッチメントの姿勢、バケット６内にある土砂の重量等に応じて変化する。

速度偏差が大きくなるとＰＩ制御部５２が出力するトルク電流指令値も大きくなる。そのため、トルク電流指令値は、トルク制限部５３によって許容最大トルク値で制限され易くなる。トルク電流指令値が制限されると、すなわち、正味トルクが制限されると、コントローラ３０は、実旋回速度が振動（上下動）した場合に、その振動を抑制するトルクを生成できない場合がある。その結果、コントローラ３０は、上部旋回体３の旋回速度を安定的に制御することができない。

また、速度指令値は、引きずり旋回中に実旋回速度が速度指令値に追従できていない場合であっても、レバー操作量に対応して増加し続ける。そのため、速度偏差及びトルク電流指令値は共に増大し、トルク電流指令値は、トルク制限部５３によって許容最大トルク値で制限され易くなる。このとき、旋回負荷となっていた土砂等が無くなり上部旋回体３に対する外力が急減すると、上部旋回体３に作用する正味トルクが急増する。その結果、コントローラ３０は、上部旋回体３の旋回速度を急増させ、掘削アタッチメントを旋回方向に飛び出させてしまうおそれがある。

そこで、コントローラ３０は、以下に説明する処理を用いて、上述のような状況に対処する。

主制御部６０は、駆動指令生成部５０の制御処理に必要な周辺処理を行う機能要素であり、トルク判定部６１及び速度指令増減制御部６２を含む。

トルク判定部６１は、旋回用電動機２１によるトルク（以下、「旋回トルク」とする。）が所定トルクより大きいか否かを判定する機能要素である。本実施例では、トルク判定部６１は、駆動指令生成部５０が出力する駆動指令値に基づいて、旋回トルクの絶対値が所定トルクより大きいか否かを判定する。具体的には、トルク判定部６１は、駆動指令値の絶対値が所定の許容最大値以上の場合に、旋回用電動機２１によるトルクの絶対値が所定トルクより大きいと判定する。なお、所定トルクは、例えば、旋回用電動機２１の許容最大トルク値（絶対値）、又はその許容最大トルク値より僅かに小さい値（絶対値）を意味する。

或いは、トルク判定部６１は、インバータ２０から旋回用電動機２１に供給されるモータ電流の値（以下、「モータ電流値」とする。）を検出するモータ電流検出部（図示せず。）の出力に基づいて、旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定してもよい。具体的には、トルク判定部６１は、モータ電流値の絶対値が所定の許容最大値以上の場合に、旋回トルクの絶対値が所定トルクより大きいと判定してもよい。

或いは、トルク判定部６１は、ＰＩ制御部５２が出力するトルク電流指令値に基づいて、旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定してもよい。具体的には、トルク判定部６１は、トルク電流指令値の絶対値が所定の許容最大値以上の場合に、旋回トルクの絶対値が所定トルクより大きいと判定してもよい。

速度指令増減制御部６２は、速度指令変換部３１が出力する速度指令の増減を制御する機能要素である。本実施例では、速度指令増減制御部６２は、トルク判定部６１の判定結果に基づいて前記速度指令の最大増減幅を切り替える。具体的には、速度指令増減制御部６２は、スルーレート制限部３６に対して制御信号を出力してスルーレートを切り換える。

より具体的には、速度指令増減制御部６２は、トルク判定部６１により旋回トルクが所定トルクより大きいと判定された場合に、スルーレートを小さい値に切り換えて一回の制御周期における速度指令の最大増減幅を小さくする。

例えば、速度指令増減制御部６２は、旋回トルクが所定トルクより大きいと判定された場合に、スルーレートの値をゼロ又はゼロ近傍に切り換えて速度指令の増減を禁止或いは制限する。

また、速度指令増減制御部６２は、旋回トルクが所定トルクより大きいと判定された場合に、速度指令の増減を禁止してもよい。この場合、速度指令増減制御部６２は、スルーレート制限部３６に対して制御信号を出力して現在の速度指令を継続的に出力させる。

スルーレート制限部３６は、トルク判定部６１からの制御信号に応じて、スルーレートを切り換え或いは動的に調整する。或いは、スルーレート制限部３６は、トルク判定部６１からの制御信号に応じて出力信号としての速度指令の値を固定し、同じ速度指令値を継続的に出力する。

次に、図５を参照しながら、コントローラ３０が速度指令の増減を制御する処理（以下、「速度指令増減制御処理」とする。）について説明する。なお、図５は、速度指令増減制御処理の流れを示すフローチャートであり、コントローラ３０は、所定の制御周期で繰り返しこの速度指令増減制御処理を実行する。

最初に、コントローラ３０の主制御部６０におけるトルク判定部６１は、旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定する（ステップＳ１）。本実施例では、トルク判定部６１は、駆動指令生成部５０が生成する駆動指令値が所定の許容最大値以上の場合に、旋回用電動機２１によるトルクの絶対値が所定トルクより大きいと判定する。なお、トルク判定部６１は、ＰＩ制御部５２が出力するトルク電流指令値、又は、モータ電流検出部が出力するモータ電流値に基づいて旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定してもよい。

トルク判定部６１により旋回トルクが所定トルクより大きいと判定された場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、コントローラ３０の主制御部６０における速度指令増減制御部６２は、速度指令の増減を制限する（ステップＳ２）。本実施例では、速度指令増減制御部６２は、コントローラ３０の速度指令変換部３１におけるスルーレート制限部３６に対して、速度指令の増減を制限するための制御信号を出力する。そして、速度指令増減制御部６２は、スルーレート制限部３６で用いられるスルーレートをトルク制限時スルーレートに切り換える。トルク制限時スルーレートは、旋回トルクが所定トルク以下であると判定された場合に採用される通常時スルーレートより小さい値である。その結果、コントローラ３０は、速度指令変換部３１が駆動指令生成部５０に対して出力する速度指令値の一回の制御周期における最大増減幅を小さくする。例えば、コントローラ３０は、速度指令値の一回の制御周期における最大増減幅をゼロ又はゼロ近傍にする。或いは、速度指令増減制御部６２は、スルーレートを切り換える代わりに、スルーレート制限部３６が出力する速度指令値を現在値に固定してもよい。

一方、トルク判定部６１により旋回トルクが所定トルク以下であると判定された場合（ステップＳ１のＮＯ）、速度指令増減制御部６２は、速度指令の増減に対する制限を解除する（ステップＳ３）。本実施例では、速度指令増減制御部６２は、スルーレート制限部３６に対して、速度指令の増減に対する制限を解除するための制御信号を出力する。そして、速度指令増減制御部６２は、スルーレート制限部３６で用いられるスルーレートを通常時スルーレートに切り換える。その結果、コントローラ３０は、速度指令変換部３１が駆動指令生成部５０に対して出力する速度指令値の一回の制御周期における最大増減幅が制限されている場合には、その最大増減幅を制限前の状態に戻す。或いは、速度指令増減制御部６２は、スルーレート制限部３６が出力する速度指令値が固定されている場合には、その固定を解除する。

上述のような処理の流れにより、コントローラ３０は、旋回トルクが大きくなった場合に一回の制御周期における速度指令の増減を小さくし、速度偏差が大きくなるのを防止できる。その結果、コントローラ３０は、トルク電流指令値が許容最大トルク値で制限され続ける状態を解消し、実旋回速度の振動を抑制するトルクを生成できるようにすることで、上部旋回体３の旋回速度をより安定的に制御できる。また、コントローラ３０は、引きずり旋回の際に旋回負荷が消失して上部旋回体３に対する外力が急減する場合であっても、上部旋回体３に作用する正味トルクの急増を抑えることができる。その結果、コントローラ３０は、上部旋回体３の旋回速度の急増、掘削アタッチメントの旋回方向への飛び出し等を防止できる。

なお、上述の処理では、コントローラ３０は、旋回トルクが所定トルクより大きいか否かで速度指令の増減を制限するか否かを決定する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、コントローラ３０は、速度指令の増減を制限する際に用いる所定トルクの値と、速度指令の増減の制限を解除する際に用いる所定トルクの値とを異ならせてもよい。

次に、図６を参照しながら、慣性モーメントが大きい状態にある上部旋回体３を旋回させる際の各種物理量（旋回操作レバー２６Ａの操作量（Ｆ６Ａ参照。）、速度指令（Ｆ６Ｂ参照。）、トルク電流指令（Ｆ６Ｃ参照。）、及び実旋回速度（Ｆ６Ｄ参照。））の時間的推移について説明する。なお、図６の実線で表される推移は、速度指令増減制御処理を実行する場合の推移を示し、図６の破線で表される推移は、速度指令増減制御処理を実行しない場合の推移を示す。また、上部旋回体３の慣性モーメントは、掘削アタッチメントの旋回半径が大きいほど大きく、バケット内にある土砂の重量が大きいほど大きい。

時刻ｔ１において、旋回操作レバー２６Ａがフルレバー操作されて旋回動作が開始されると、速度指令変換部３１が出力する速度指令は、Ｆ６Ｂの実線で示すように、通常時スルーレートで増加し始める。しかしながら、実旋回速度は、上部旋回体３の慣性モーメントが大きいため、Ｆ６Ｄの実線で示すように、増加する速度指令に追従できない。その結果、減算器５１が出力する速度偏差が急増し、ＰＩ制御部５２が生成するトルク電流指令値は、Ｆ６Ｃの実線で示すように正（＋）方向に急増する。

その後、時刻ｔ２において、Ｆ６Ｃの実線で示すようにトルク電流指令値が正（＋）方向の許容最大トルク値ＴＡに達すると、速度指令増減制御処理を実行している場合には、コントローラ３０は、トルク判定部６１により旋回トルクが所定トルクより大きいと判定する。そして、コントローラ３０は、速度指令増減制御部６２により速度指令の増加を禁止する。その結果、Ｆ６Ｃの実線で示すようにトルク電流指令値が許容最大トルク値ＴＡで制限されている場合には、速度指令は、Ｆ６Ｂの実線で示すようにその時点の値のままで推移する。速度指令の増加が禁止されると、時間経過と共に実旋回速度が増加するため速度偏差が減少し、トルク電流指令値も減少する。そして、Ｆ６Ｃの実線で示すようにトルク電流指令値が許容最大トルク値ＴＡ未満となりトルク制限部５３による制限を受けない状態になると、速度指令は、Ｆ６Ｂの実線で示すように、レバー操作量に対応した速度指令に到達するまでの増加を再開させる。

これにより、コントローラ３０は、Ｆ６Ｄの実線で示すように、実旋回速度を速度指令に対応して滑らかに増加させることができる。

なお、速度指令増減制御処理を実行していない場合には、コントローラ３０は、速度指令の増加を禁止しない。その結果、Ｆ６Ｃの破線で示すようにトルク電流指令値が許容最大トルク値ＴＡで制限されている場合であっても、速度指令は、Ｆ６Ｂの破線で示すように増加し続ける。そのため、時間経過と共に実旋回速度が増加したとしても速度偏差は減少せず、トルク電流指令値も減少せずにトルク制限部５３による制限を受け続ける。

この場合、コントローラ３０は、Ｆ６Ｄの破線で示すように、実旋回速度を速度指令に対応して滑らかに増加させることができない。実旋回速度が振動（上下動）しても、旋回トルクが既に制限を受けており、その振動を抑制するトルクを発生させることができないためである。

旋回動作を停止させる場合についても同様である。具体的には、時刻ｔ３において、旋回操作レバー２６Ａのフルレバー操作が中止されて旋回動作が停止されると、速度指令変換部３１が出力する速度指令は、Ｆ６Ｂの実線で示すように、通常時スルーレートで減少し始める。しかしながら、実旋回速度は、上部旋回体３の慣性モーメントが大きいため、Ｆ６Ｄの実線で示すように、減少する速度指令に追従できない。その結果、減算器５１が出力する速度偏差が急増し、ＰＩ制御部５２が生成するトルク電流指令値は、Ｆ６Ｃの実線で示すように負（−）方向に急増する。

その後、時刻ｔ４において、Ｆ６Ｃの実線で示すようにトルク電流指令値が負（−）方向の許容最大トルク値ＴＢに達すると、速度指令増減制御処理を実行している場合には、コントローラ３０は、トルク判定部６１により旋回トルク（絶対値）が所定トルクより大きいと判定する。そして、コントローラ３０は、速度指令増減制御部６２により速度指令の減少を禁止する。その結果、Ｆ６Ｃの実線で示すようにトルク電流指令値（絶対値）が許容最大トルク値ＴＢ（絶対値）以下となりトルク制限部５３による制限を受けている場合には、速度指令は、Ｆ６Ｂの実線で示すようにその時点の値のままで推移する。速度指令の減少が禁止されると、時間経過と共に実旋回速度が減少するため速度偏差が減少し、トルク電流指令値も減少する。そして、Ｆ６Ｃの実線で示すようにトルク電流指令値（絶対値）が負（−）方向の許容最大トルク値ＴＢ（絶対値）未満となり、トルク制限部５３による制限を受けない状態になると、速度指令は、Ｆ６Ｂの実線で示すように値ゼロまでの減少を再開させる。

これにより、コントローラ３０は、Ｆ６Ｄの実線で示すように、実旋回速度を値ゼロまで滑らかに減少させることができる。

なお、速度指令増減制御処理を実行していない場合には、コントローラ３０は、速度指令の減少を禁止しない。その結果、Ｆ６Ｃの破線で示すようにトルク電流指令値（絶対値）が許容最大トルク値ＴＢ（絶対値）で制限されている場合であっても、速度指令は、Ｆ６Ｂの破線で示すように減少し続ける。そのため、時間経過と共に実旋回速度が減少したとしても速度偏差は減少せず、トルク電流指令値も減少せずにトルク制限部５３による制限を受け続ける。

この場合、コントローラ３０は、Ｆ６Ｄの破線で示すように、実旋回速度を値ゼロまで滑らかに減少させることができない。実旋回速度が振動（上下動）しても、旋回トルクが既に制限を受けており、その振動を抑制するトルクを発生させることができないためである。

また、図６は、慣性モーメントが大きい状態にある上部旋回体３を旋回させる際の各種物理量の時間的推移を説明するが、図６に関する旋回加速時の説明は、傾斜面に位置するショベルが傾斜面の上方に向かって旋回する場合にも適用され得る。この場合、平坦面に位置するショベルが旋回する場合よりも、上部旋回体３を旋回させるために必要なトルクが大きくなるためである。また、図６に関する旋回減速時の説明は、傾斜面に位置するショベルが傾斜面の下方に向かって旋回する場合にも適用され得る。この場合、平坦面に位置するショベルが旋回する場合よりも、上部旋回体３の旋回を停止させるために必要なトルクが大きくなるためである。

次に、図７を参照しながら、引きずり旋回の際の各種物理量（旋回操作レバー２６Ａの操作量（Ｆ７Ａ参照。）、速度指令（Ｆ７Ｂ参照。）、トルク電流指令（Ｆ７Ｃ参照。）、及び実旋回速度（Ｆ７Ｄ参照。））の時間的推移について説明する。なお、図７の実線で表される推移は、速度指令増減制御処理を実行する場合の推移を示し、図７の破線で表される推移は、速度指令増減制御処理を実行しない場合の推移を示す。

時刻ｔ１１において、旋回操作レバー２６Ａがフルレバー操作されて旋回動作が開始されると、速度指令変換部３１が出力する速度指令は、Ｆ７Ｂの実線で示すように、通常時スルーレートで増加し始める。しかしながら、実旋回速度は、旋回方向に存在する土砂等の旋回負荷のため、Ｆ７Ｄの実線で示すように、増加する速度指令に追従できない。その結果、減算器５１が出力する速度偏差が急増し、ＰＩ制御部５２が生成するトルク電流指令値は、Ｆ７Ｃの実線で示すように正（＋）方向に急増する。

その後、時刻ｔ１２において、Ｆ７Ｃの実線で示すようにトルク電流指令値が正（＋）方向の許容最大トルク値ＴＡに達すると、速度指令増減制御処理を実行している場合には、コントローラ３０は、トルク判定部６１により旋回トルクが所定トルクより大きいと判定する。そして、コントローラ３０は、速度指令増減制御部６２により速度指令の増加を禁止する。その結果、Ｆ７Ｃの実線で示すようにトルク電流指令値が許容最大トルク値ＴＡで制限されている場合には、速度指令は、Ｆ７Ｂの実線で示すようにその時点の値のままで推移する。速度指令の増加が禁止されると、実旋回速度が増加しない場合であっても速度偏差が増加しない。

その後、時刻ｔ１３において、旋回負荷が消失し、Ｆ７Ｃの実線で示すようにトルク電流指令値が許容最大トルク値ＴＡ未満となり、トルク制限部５３による制限を受けない状態になると、速度指令は、Ｆ７Ｂの実線で示すように、レバー操作量に対応した速度指令に到達するまでの増加を再開させる。なお、速度指令は、時刻ｔ１２において増加が禁止されていたため、実旋回速度より僅かに高いレベルに留まっており、速度偏差も小さい。

そのため、コントローラ３０は、Ｆ７Ｄの実線で示すように、実旋回速度を比較的緩やかに増加させることができる。すなわち、コントローラ３０は、上部旋回体３の旋回速度の急増、及び、掘削アタッチメントの旋回方向への飛び出しを防止できる。

なお、速度指令増減制御処理を実行していない場合には、コントローラ３０は、速度指令の増加を禁止しない。そのため、Ｆ７Ｃの破線で示すようにトルク電流指令値が許容最大トルク値ＴＡで制限されている場合であっても、速度指令は、Ｆ７Ｂの破線で示すように増加し続ける。その結果、速度指令は、時刻ｔ１３において既にレバー操作量に対応した速度指令値に達しており、実旋回速度よりも顕著に高いレベルにあり、速度偏差は大きい。

そのため、コントローラ３０は、Ｆ７Ｄの破線で示すように、実旋回速度を比較的急激に増加させる。すなわち、コントローラ３０は、上部旋回体３の旋回速度の急増、及び、掘削アタッチメントの旋回方向への飛び出しを防止できない。

以上の構成により、電動旋回制御装置としてのコントローラ３０は、旋回トルクが所定トルクを上回り続ける状態（例えば、トルク電流指令値が許容最大トルク値で制限され続ける状態）を回避すべく速度指令の増減を制御する。そのため、コントローラ３０は、慣性モーメントが大きい状態にある上部旋回体３を旋回させる場合であっても、実旋回速度の振動を抑制し、上部旋回体３の旋回速度をより安定的に制御できる。

また、コントローラ３０は、速度偏差が過度に大きくなるのを回避すべく速度指令の増減を制御する。そのため、コントローラ３０は、引きずり旋回中に旋回負荷が消失して上部旋回体３に対する外力が急減する場合であっても、上部旋回体３の旋回速度の急増、及び、掘削アタッチメントの旋回方向への飛び出しを防止できる。

また、コントローラ３０は、駆動指令値、トルク電流指令値、又はモータ電流値に基づいて旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定する。そのため、コントローラ３０は、ショベルの傾斜を検出する傾斜センサ、掘削アタッチメントの姿勢を検出する角度センサ等を利用することなく、また、引きずり旋回が行われているか否かを判断することなく、上述の効果を実現できる。しかしながら、本発明は、傾斜センサ、角度センサ等の利用、及び、引きずり旋回が行われているか否かの判定の実行を排除するものではない。例えば、コントローラ３０は、傾斜センサ、角度センサ等の出力に基づいて速度指令の増減を制御してもよい。また、コントローラ３０は、引きずり旋回が行われていることを判断した上で、速度指令の増減を制御してもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例は、バケット６を備えたハイブリッド式ショベルに適用された場合を対象としているが、リフティングマグネット、ブレーカ、フォーク等を備えたハイブリッド式作業機械に適用されてもよい。

また、上述の実施例において、駆動指令生成部５０は、トルク制限部５３が出力するトルク電流指令をそのまま駆動指令として出力する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、駆動指令生成部５０は、トルク制限部５３が出力するトルク電流指令と、インバータ２０が現に出力するモータ電流の値に対応するトルク電流指令との偏差を小さくするようにＰＩ制御を行った上で駆動指令を出力してもよい。この場合、コントローラ３０は、モータ電流をトルク電流指令に換算する変換部を備える。

１・・・下部走行体 １Ａ、１Ｂ・・・走行用油圧モータ 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・・・変速機 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・・・キャパシタ ２０・・・インバータ ２１・・・旋回用電動機 ２２・・・レゾルバ ２３・・・メカニカルブレーキ ２４・・・旋回変速機 ２５・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２６Ａ・・・旋回操作レバー ２６Ｂ・・・油圧アクチュエータ操作レバー ２６Ｃ・・・油圧アクチュエータ操作ペダル ２７、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・・・駆動制御部 ３５・・・速度指令生成部 ３６・・・スルーレート制限部 ４０・・・旋回駆動制御部 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 ６１・・・トルク判定部 ６２・・・速度指令増減制御部 １００・・・昇降圧コンバータ １１０・・・ＤＣバス １１１・・・ＤＣバス電圧検出部 １１２・・・キャパシタ電圧検出部 １１３・・・キャパシタ電流検出部 １２０・・・蓄電系

Claims (7)

1. 旋回用電動機を制御する電動旋回制御装置であって、
   旋回操作レバーの操作内容を速度指令に変換する速度指令変換部を有し、
   前記旋回用電動機による旋回トルクが所定トルクより大きい場合に前記速度指令を増加しにくくする、
   電動旋回制御装置。
2. 旋回用電動機を制御する電動旋回制御装置であって、
   旋回操作レバーの操作内容を速度指令に変換する速度指令変換部と、
   前記旋回用電動機による旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定するトルク判定部と、
   前記トルク判定部の判定結果に基づいて前記速度指令の増減を制御する速度指令増減制御部と、を有し、
   前記速度指令増減制御部は、前記旋回トルクが所定トルクより大きい場合に前記速度指令の最大増減幅を増大させない、
   電動旋回制御装置。
3. 旋回用電動機を制御する電動旋回制御装置であって、
   旋回操作レバーの操作内容を速度指令に変換する速度指令変換部と、
   前記旋回用電動機による旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定するトルク判定部と、
   前記トルク判定部の判定結果に基づいて前記速度指令の増減を制御する速度指令増減制御部と、を有し、
   前記速度指令増減制御部は、前記旋回トルクが所定トルクより大きいと判定された場合に、一回の制御周期における前記速度指令の最大増減幅を小さくする、
   電動旋回制御装置。
4. 旋回用電動機を制御する電動旋回制御装置であって、
   旋回操作レバーの操作内容を速度指令に変換する速度指令変換部と、
   前記旋回用電動機による旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定するトルク判定部と、
   前記トルク判定部の判定結果に基づいて前記速度指令の増減を制御する速度指令増減制御部と、を有し、
   前記速度指令増減制御部は、前記旋回トルクが所定トルクより大きいと判定された場合に、一回の制御周期における前記速度指令の最大増減幅をゼロ又はゼロ近傍にする、
   電動旋回制御装置。
5. 旋回用電動機を制御する電動旋回制御装置であって、
   旋回操作レバーの操作内容を速度指令に変換する速度指令変換部と、
   前記旋回用電動機による旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定するトルク判定部と、
   前記トルク判定部の判定結果に基づいて前記速度指令の増減を制御する速度指令増減制御部と、を有し、
   前記速度指令増減制御部は、前記旋回トルクが所定トルクより大きいと判定された場合に、前記速度指令の増減を禁止する、
   電動旋回制御装置。
6. 旋回用電動機を制御する電動旋回制御装置であって、
   旋回操作レバーの操作内容を速度指令に変換する速度指令変換部と、
   前記旋回用電動機による旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定するトルク判定部と、
   前記トルク判定部の判定結果に基づいて前記速度指令の増減を制御する速度指令増減制御部と、
   前記速度指令と現在の旋回速度との速度偏差に基づいてトルク電流指令を制御周期毎に生成するトルク電流指令生成部と、を有し、
   前記トルク判定部は、前記トルク電流指令の値が許容最大値に達した場合に、前記旋回トルクが所定トルクより大きいと判定する、
   電動旋回制御装置。
7. 旋回用電動機を制御する電動旋回制御装置であって、
   旋回操作レバーの操作内容を速度指令に変換する速度指令変換部と、
   前記旋回用電動機による旋回トルクが所定トルクより大きいか否かを判定するトルク判定部と、
   前記トルク判定部の判定結果に基づいて前記速度指令の増減を制御する速度指令増減制御部と、
   前記旋回用電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、を有し、
   前記トルク判定部は、前記電流検出部が検出した電流が許容最大値に達した場合に、前記旋回トルクが所定トルクより大きいと判定する、
   電動旋回制御装置。

Images