JP6278793B2 - Electric swivel device - Google Patents
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Description
本発明は、電動旋回装置に関する。 The present invention relates to an electric swivel device.
近年のパワーショベルやクレーンをはじめとする建設機械において、上部旋回体の動力源として、油圧モータと交流電動機のハイブリッド型が利用される。ハイブリッド型の旋回動力源は、上部旋回体の加速時において、交流電動機によって油圧モータをアシストし、減速時においては交流電動機によって回生運転を行い、発電エネルギによってバッテリを充電する。 In recent construction machines such as power shovels and cranes, a hybrid type of a hydraulic motor and an AC motor is used as a power source for the upper swing body. The hybrid turning power source assists the hydraulic motor with an AC motor during acceleration of the upper turning body, performs regenerative operation with the AC motor during deceleration, and charges the battery with generated energy.
電動旋回装置は、交流電動機と、交流電動機の回転数を検出するレゾルバと、交流電動機の目標回転数ならびにレゾルバの出力にもとづいて、制御信号を生成するコントローラと、制御信号にもとづいて交流電動機を駆動するインバータと、を備える。 The electric turning device includes an AC motor, a resolver that detects the rotation speed of the AC motor, a controller that generates a control signal based on the target rotation speed of the AC motor and the output of the resolver, and an AC motor based on the control signal. An inverter to be driven.
図1は、電動旋回装置の電気系統の制御ブロック図である。電動旋回装置500rの制御量は、回転数ωresである。誤差検出器31は、交流電動機の回転数ωresを指示する角速度指令値ωcmdと、レゾルバにより検出される実際の回転数を示す角速度検出値ωresの誤差(偏差)を検出する。PIコントローラ32は、誤差がゼロとなるように値が調節される制御指令値τinを生成する。たとえば制御指令値τinは、回転電動機のトルク指令値である。制御対象52は、(1)制御指令値τinに応じてパルス変調された駆動信号を生成する駆動信号生成部、(2)駆動信号にもとづいて交流電動機を駆動するインバータ、(3)インバータにより駆動される交流電動機、(4)交流電動機の回転軸により駆動される負荷をモデル化したものであり、その入力がトルクτ、その出力が回転角ωのディメンジョンを有することから、慣性Jとしてモデル化される。
FIG. 1 is a control block diagram of an electric system of the electric swivel device. The control amount of the electric
本発明者らは、図1の電動旋回装置500rについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
従来の電動旋回装置500rでは、PIコントローラ32の比例係数KP、すなわちループゲインは所定値に固定されるのが一般的であった。あるいはループゲインが可変であったとしても、交流電動機の回転数に応じて調節されるに留まっていた。
As a result of studying the electric
In the conventional electric
しかしながら、産業車両たとえばパワーショベルの上部旋回体がブーム、アーム、バケットなどの可動機構を有し、その慣性Jは、各可動機構の状態(角度)、あるいはバケットに収容される物体の重量などに応じてダイナミックに変化する。このことは、電動旋回装置500rのループゲインがダイナミックに変動することを意味する。
However, the upper turning body of an industrial vehicle such as a power shovel has movable mechanisms such as a boom, an arm, and a bucket, and the inertia J depends on the state (angle) of each movable mechanism or the weight of an object accommodated in the bucket. It changes dynamically according to the response. This means that the loop gain of the electric
ある基準慣性J0に対して安定なフィードバック系を設計したとき、実際の慣性Jが基準慣性J0よりも小さくなると系の安定性が損なわれ、発振などが発生する。反対に、想定される最も小さな慣性JMINを基準としてフィードバック系を設計すると、系の安定性は保証されるが、実際の慣性が基準慣性J0となったときの応答性が、J0を基準として最適化した系の応答性よりも劣ることとなる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態によって、ショベルの操作感が変化することを意味し、すなわち操作者に高度な操作技能と経験を要求することとなり好ましくない。 Sometimes designed stable feedback system with respect to the reference inertia J 0, actually the impaired stability becomes smaller when the system than the inertia J is the reference inertia J 0, oscillation and the like occur. On the other hand, if the feedback system is designed based on the smallest expected inertia J MIN , the stability of the system is guaranteed, but the response when the actual inertia becomes the reference inertia J 0 is J 0 . It is inferior to the response of the system optimized as a standard. This means that the feeling of operation of the excavator changes depending on the state of the boom, arm, and bucket, that is, an operator is required to have advanced operation skills and experience, which is not preferable.
なおこの問題を当業者の一般的な認識としてとらえてはならず、本発明者が独自に認識したものである。 This problem should not be regarded as a general recognition of those skilled in the art, but has been uniquely recognized by the present inventors.
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、さまざまな状況において安定性と応答性を両立しうる電動旋回装置の提供にある。 The present invention has been made in view of such problems, and one of exemplary purposes of an aspect thereof is to provide an electric swivel device that can achieve both stability and responsiveness in various situations.
本発明のある態様は、走行機構および走行機構に旋回自在に搭載された上部旋回体を備える産業車両に搭載され、走行機構に対して上部旋回体を旋回駆動させる電動旋回装置に関する。電動旋回装置は、旋回用電動機と、旋回用電動機の回転数を検出する回転角センサと、回転角センサにより検出された旋回用電動機の回転数が、目標回転数と一致するように指令値を生成するコントローラと、上部旋回体の慣性を推定し、推定された慣性に応じてコントローラの制御ゲインを調節する慣性推定器と、指令値にもとづいて旋回用電動機を駆動するインバータと、を備える。 An aspect of the present invention relates to a traveling mechanism and an electric turning device that is mounted on an industrial vehicle including an upper turning body that is turnably mounted on the traveling mechanism, and that drives the upper turning body to turn relative to the traveling mechanism. The electric turning device includes a turning motor, a rotation angle sensor that detects the rotation speed of the turning motor, and a command value so that the rotation speed of the turning motor detected by the rotation angle sensor matches the target rotation speed. A controller to be generated, an inertia estimator that estimates the inertia of the upper-part turning body and adjusts the control gain of the controller according to the estimated inertia, and an inverter that drives the turning electric motor based on the command value.
産業車両では、上部旋回体がブーム、アーム、バケットなどの可動機構を有し、その慣性は、可動機構の状態、あるいはバケットに収容される物体の重量などに応じてダイナミックに変化する。この態様によると、そのときどきの慣性に応じて、ループゲインが一定となるようにコントローラの制御ゲインを調節できるため、さまざまな状況において安定性と応答性を両立できる。 In an industrial vehicle, the upper swing body has a movable mechanism such as a boom, an arm, and a bucket, and its inertia dynamically changes depending on the state of the movable mechanism or the weight of an object accommodated in the bucket. According to this aspect, since the control gain of the controller can be adjusted so that the loop gain becomes constant according to the moment of inertia, both stability and responsiveness can be achieved in various situations.
コントローラはPIコントローラを含み、慣性推定器は、推定された慣性に応じて比例係数KPを調節してもよい。 The controller may include a PI controller, and the inertia estimator may adjust the proportionality coefficient K P according to the estimated inertia.
慣性の基準値J0に最適化された比例係数KPの基準値KP0が定められてもよい。慣性の基準値J0からの変動量がΔJであるとき、比例係数KPは、KP0×(1+ΔJ/J0)であってもよい。 A reference value K P0 of the proportionality coefficient K P optimized to the inertia reference value J 0 may be determined. When the amount of variation from the reference value J 0 of inertia is ΔJ, the proportionality coefficient K P may be K P0 × (1 + ΔJ / J 0 ).
慣性推定器は、産業車両を統合的に制御する上位コントローラにより取得され、かつ上部旋回体から伸びるブーム、アーム、バケットの状態を示すデータにもとづいて、慣性を推定してもよい。
上位コントローラには、ブーム、アーム、バケットの各可動部の角度などの情報を有している。したがってそれらの情報を利用することで慣性を推定できる。
The inertia estimator may estimate the inertia based on data obtained by a host controller that controls the industrial vehicle in an integrated manner and indicating a state of a boom, an arm, and a bucket extending from the upper turning body.
The host controller has information such as the angles of the movable parts of the boom, arm, and bucket. Therefore, inertia can be estimated by using such information.
慣性推定器は、旋回用電動機のトルク指令値と、旋回用電動機の回転数にもとづいて、慣性を推定してもよい。
トルク指令値と旋回用電動機の回転数を利用することで、オブザーバーによって外乱トルクを推定でき、推定された外乱トルクおよび入力トルク(トルク指令値)から、慣性の変化量を推定できる。この場合、バケットに積載されるがれきや土砂などの重量も考慮した慣性を計算できる。
The inertia estimator may estimate the inertia based on the torque command value of the turning motor and the rotation speed of the turning motor.
By using the torque command value and the rotation speed of the turning electric motor, the disturbance torque can be estimated by the observer, and the amount of change in inertia can be estimated from the estimated disturbance torque and input torque (torque command value). In this case, it is possible to calculate the inertia considering the weight of debris or earth and sand loaded in the bucket.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、さまざまな状況において安定性と応答性を両立できる。 According to the present invention, both stability and responsiveness can be achieved in various situations.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
図2は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル1の外観を示す斜視図である。ショベル1は、主として走行機構2と、走行機構2の上部に旋回機構3を介して回動自在に搭載された上部旋回体(以下、単に旋回体ともいう)4とを備えている。
FIG. 2 is a perspective view illustrating an appearance of an
旋回体4には、ブーム5と、ブーム5の先端にリンク接続されたアーム6と、アーム6の先端にリンク接続されたバケット10とが取り付けられている。バケット10は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム5、アーム6、及びバケット10は、それぞれブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9によって油圧駆動される。また、旋回体4には、バケット10の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室4aや、油圧を発生するためのエンジン11といった動力源が設けられている。エンジン11は、例えばディーゼルエンジンで構成される。
The revolving
図3は、実施の形態に係るショベル1の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図3では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。
FIG. 3 is a block diagram of an electric system and a hydraulic system of the
ショベル1は電動発電機12および減速機13を備えており、エンジン11及び電動発電機12の回転軸は、共に減速機13の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン11の負荷が大きいときには、電動発電機12が自身の駆動力によりエンジン11の駆動力を補助(アシスト)し、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。一方、エンジン11の負荷が小さいときには、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が発電を行う。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)モータによって構成される。電動発電機12の駆動と発電との切りかえは、ショベル1における電気系統の駆動制御を行うコントローラ30により、エンジン11の負荷等に応じて行われる。
The
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が接続されており、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、ショベル1における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ17には、図2に示した走行機構2を駆動するための油圧モータ2A及び2Bの他、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ており、コントロールバルブ17は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。
A
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(操作手段)が接続されている。操作装置26は、旋回用電動機21、走行機構2、ブーム5、アーム6、及びバケット10を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置26には、油圧ライン27を介してコントロールバルブ17が接続され、また、油圧ライン28を介して圧力センサ29が接続される。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)を操作者の操作量に応じた油圧(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。
An operation device 26 (operation means) is connected to the
圧力センサ29は、操作装置26に対して旋回機構3を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン28内の油圧の変化として検出する。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、旋回用電動機21の駆動制御に用いられる。
When an operation for turning the
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によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをCPUが実行することにより実現される。コントローラ30は、各種センサ及び操作装置26等からの操作入力を受けて、インバータ18A、18B、18C及び蓄電手段101等の駆動制御を行う。
The
油圧モータ310は、ブーム5が下げられるときにブームシリンダ7から吐出される油によって回転されるように構成されており、ブーム5が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ310は、コントロールバルブ17とブームシリンダ7の間の油圧管7Aに設けられている。ブーム回生用発電機300で発電された電力は、回生エネルギとしてインバータ18Bを経て蓄電手段101に供給される。
The
旋回用電動機21は、図2の旋回機構3に設けられ、上部旋回体4を回動させる。旋回用電動機21は交流電動機であり、旋回体4を旋回させる旋回機構3の動力源である。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。旋回用インバータ18Cは、蓄電手段101からの電力を受け、旋回用電動機21を駆動する。また旋回用電動機21の回生運転時には、旋回用電動機21からの電力を蓄電手段101に回収する。
The turning
旋回用電動機21が力行運転を行う際には、旋回用電動機21の回転駆動力の回転力が旋回減速機24にて増幅され、旋回体4が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体4の慣性回転により、旋回減速機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。
When the turning
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回転軸21Aの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ22が回転軸21Aの回転角度を検出することにより、旋回機構3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、コントローラ30からの指令によって、旋回用電動機21の回転軸21Aを機械的に停止させる。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3に機械的に伝達する減速機である。
The
続いて電気系統について詳細に説明する。電気系統は主として、コントローラ30、電源装置100、インバータ18A〜18Cを備える。
Next, the electric system will be described in detail. The electric system mainly includes a
(アシスト)
アシスト用のインバータ18Aの2次側(出力)端には、電動発電機12が接続される。インバータ18Aは、コントローラ30の一部であるアシスト用インバータコントローラ30Aからの指令にもとづき、電動発電機12の運転制御を行う。
(assist)
The
(ブーム回生)
インバータ18Bの2次側(出力)端には、ブーム回生用発電機300が接続されている。上述のようにブーム回生用発電機300は、ブーム5が重力の作用により下げられるときに、位置エネルギを電気エネルギに変換する電動作業要素である。インバータ18Bは、コントローラ30のブーム回生用のインバータコントローラ30Bによって制御され、ブーム回生用発電機300が発生する電気エネルギを直流電力に変換し、電源装置100に回収する。
(Boom regeneration)
A
(旋回)
旋回用電動機21、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、旋回減速機24、旋回用インバータ18Cおよびコントローラ30の一部である旋回用のインバータコントローラ30Cは、電動旋回装置500を構成する。
旋回用電動機21は、PWM(Pulse Width Modulation)制御指令により旋回用インバータ18Cによって交流駆動される。旋回用電動機21としては、例えば、磁石埋込型のIPMモータが好適である。
(Turning)
The turning
The turning
旋回用インバータコントローラ30Cは、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ22により検出される旋回用電動機21の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ18Cを制御する。
The turning
(電源)
蓄電手段101とコントローラ30の一部であるコンバータコントローラ30Dは、電源装置100を構成する。蓄電手段101は、例えば蓄電池であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ(双方向DC/DCコンバータ)と、正極及び負極の直流配線からなるDCバスとを備えている(図示せず)。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な2次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。DCバスには、インバータ18A〜インバータ18Cそれぞれの1次側(直流入力)が接続されている。コントローラ30Dは、DCバスに生ずるDCリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向DC/DCコンバータを制御する。電源装置100は、電動発電機12等が力行運転する際には、双方向DC/DCコンバータを昇圧動作させ、電動発電機12等が回生運転する際には、双方向DC/DCコンバータを降圧動作させ、電動発電機12が発生した電力を蓄電器に回収する。
(Power supply)
The power storage device 101 and the
すなわち、インバータ18Aが電動発電機12を力行運転させる際には、必要な電力をバッテリ及び昇降圧コンバータからDCバスを介して電動発電機に供給する。また、電動発電機12を回生運転させる際には、電動発電機12により発電された電力をDCバス及び昇降圧コンバータを介してバッテリに充電する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、DCバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値にもとづき、コンバータコントローラ30Dによって行われる。これにより、DCバスを、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。
That is, when the
以上がショベル1の全体構成である。続いて、実施の形態に係る電動旋回装置500について詳細に説明する。
The above is the overall configuration of the
旋回体4の慣性Jは、ブーム5、アーム6、及びバケット10などの可動機構の状態(つまり角度)に応じてダイナミックに変化する。加えて旋回体4の慣性Jは、バケット10に積載されるがれきや土砂などの重量によっても変化する。以下では、旋回体4の慣性Jの変動にかかわらず、安定で良好な応答性を実現可能な電動旋回装置500について説明する。
The inertia J of the revolving
図4は、実施の形態に係る電動旋回装置500の構成を示すブロック図である。電動旋回装置500は、旋回用インバータ18C、旋回用電動機21、レゾルバ22、コントローラ30の一部であるインバータコントローラ30Cを備える。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of the
たとえば旋回用電動機21は三相交流電動機であり、旋回用インバータ18Cは、U相、V相、W相のスイッチング回路を含む。
For example, the turning
旋回用インバータ18Cを構成するスイッチング回路は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワートランジスタで構成され、パワートランジスタは、インテリジェントパワーモジュール(IPM:Intelligent Power Module)に内蔵されている。IPMは、温度センサ等の各種センサを搭載しており、各種センサは、過電流、制御電源電圧低下、出力短絡、温度異常といった事象を検出し、これらの事象を検出した場合には、IPMエラー信号を出力する。ここで、温度異常の事象は、インバータの温度が所定の運転停止温度以上になったことを意味する。運転停止温度は、例えば100℃に設定される。IPMは、IPMエラー信号を検出すると、駆動対象のモータやインバータの焼損防止のために、駆動対象のモータを駆動するための電流の供給を停止する。この場合には、ショベル1の動作自体も停止され、連続運転が中断される。
The switching circuit constituting the turning
レゾルバ22は、回転角センサの一種であり、図示しないRDコンバータおよびCPUとともに、旋回用電動機21の回転数ωresを検出する。コントローラ30Cは、検出された旋回用電動機21の回転数ωresにもとづいて、駆動信号S8を生成する。インバータ18Cは駆動信号S8にもとづいて、旋回用電動機21を駆動する。
The
インバータコントローラ30Cは、誤差検出器31、PIコントローラ32、駆動信号生成部40、慣性推定器50を備える。
The
誤差検出器31は、旋回用電動機21の旋回速度ωcmdを指示する速度指令値S4から旋回速度値S3を減算し、それらの偏差を出力する。速度指令値S4は例えば操作装置26の操作量に応じた指令値である(図3参照)。
The
PIコントローラ32は、誤差検出器31から出力された偏差にもとづいて、旋回用電動機21の回転速度ωresを速度指令値ωcmdに近づけて偏差が小さくなるようにPI制御を行い、レゾルバ22により検出された旋回用電動機21の回転数ωresが、目標回転数ωcmdと一致するように値が調節されるトルク電流指令値S5を生成する。PIコントローラ32には、パラメータとして、比例係数KP、積分係数Tiが設定される。本実施の形態において、比例係数KPは可変であり、後述する慣性推定器50によって設定される。
Based on the deviation output from the
駆動信号生成部40は、トルク電流指令値S5を、設定されたキャリア周波数でパルス幅変調(Pulse Width Modulation)することにより、インバータ18Cの各相のスイッチング素子(IGBT)に対する駆動信号(ゲート駆動パルス)S8を生成する。駆動信号生成部40の前段にはトルクリミッタが設けられてもよい。
The drive
慣性推定器50は、旋回体4の慣性Jを推定し、推定された慣性Jに応じてPIコントローラ32の制御ゲインを調節する。以下、慣性推定器50による比例係数KPの制御について、いくつかの実施例をもとに説明する。
The
(第1実施例)
図5は、第1実施例に係る慣性推定器50aを備える電動旋回装置500aの制御ブロック図である。
(First embodiment)
FIG. 5 is a control block diagram of the electric swivel device 500a including the
慣性推定器50aは、ショベル1を統合的に制御する上位コントローラにより取得される情報、より具体的には、旋回体4から伸びるブーム5、アーム6、バケット10の少なくともひとつの状態を示すデータにもとづいて、慣性Jを推定する。
The
図6は、ショベル1を模式的に示す図である。たとえば上位コントローラには、ブーム5、アーム6、バケット10それぞれの角度θ0、θ1、θ2が保持される。旋回体4の慣性Jは、ブーム5、アーム6、バケット10それぞれの角度θ0、θ1、θ2を引数とする関数で定義できる。
J=f(θ0、θ1、θ2)
図5に戻る。慣性推定器50aは、上位コントローラからのデータθ0、θ1、θ2を受け、関数fにもとづいて慣性Jを計算する。
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating the
J = f (θ 0 , θ 1 , θ 2 )
Returning to FIG. The
旋回体4の慣性Jに基準値J0を定め、基準器J0に最適となるように定められたPIコントローラ32の比例係数KPを、基準比例係数KP0と呼ぶ。このとき慣性推定器50aは、KP=KP0×J/J0から求まる値に設定してもよい。
Defining a reference value J 0 to the inertia J of the
図7(a)は、比例係数KPを基準値KP0に固定したときの、図7(b)は、図5の電動旋回装置500aにより比例係数KPを変化させたときのシミュレーション波形図である。上段には慣性Jが、下段には速度指令ωcmdおよび応答速度ωresが示される。慣性Jは、0.3から1.0の範囲で台形状に変化している。
比例係数KPは、慣性Jの最小値(ここでは0.3)において最適化されている。図7(a)に示すように、比例係数KPを固定すると、慣性Jが最小値のときには、良好な応答が得られるが、慣性Jが大きくなると、速度指令ωcmdおよび応答速度ωresの誤差が大きくなってしまい応答性が損なわれることがわかる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態によって、ショベル1の操作感が変化することを意味し、すなわち操作者に高度な操作技能と経験を要求することとなり好ましくない。
7 (a) is, when fixing the proportional coefficient K P to the reference value K P0, FIG. 7 (b), a simulation waveform diagram when changing the proportional coefficient K P by the electric turning device 500a of FIG. 5 It is. In the upper part, inertia J is shown, and in the lower part, speed command ω cmd and response speed ω res are shown. Inertia J changes to a trapezoid in the range of 0.3 to 1.0.
The proportional coefficient K P is optimized at the minimum value of inertia J (here, 0.3). As shown in FIG. 7A, when the proportionality coefficient K P is fixed, a good response is obtained when the inertia J is the minimum value. However, when the inertia J increases, the speed command ω cmd and the response speed ω res It can be seen that the error increases and the responsiveness is impaired. This means that the feeling of operation of the
これに対して実施の形態に係る電動旋回装置500aによれば、慣性Jに応じて比例係数KPを変化させることで、図7(b)に示すように、慣性Jの値によらずに速度指令ωcmdに対して応答速度ωresを良好に追従させることができる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態にかかわらず、ショベル1の操作感が変化しないことを意味し、操作者に要求される技能、経験を低減することができる。
On the other hand, according to the electric swivel device 500a according to the embodiment, by changing the proportionality coefficient K P according to the inertia J, as shown in FIG. 7B, regardless of the value of the inertia J. The response speed ω res can be satisfactorily followed with respect to the speed command ω cmd . This means that the feeling of operation of the
(第2実施例)
第1実施例では、上位コントローラからの情報にもとづいて慣性Jを計算した。これに対して第2実施例では、コントローラ30Cにおいて慣性Jを推定する。
はじめに慣性Jの推定の理論を説明する。図8は、第2実施例に係る慣性推定器50bを備える電動旋回装置500bの制御ブロック図である。
(Second embodiment)
In the first embodiment, the inertia J is calculated based on information from the host controller. In contrast, in the second embodiment, the
First, the theory of estimating the inertia J will be described. FIG. 8 is a control block diagram of the electric swivel device 500b including the inertia estimator 50b according to the second embodiment.
理想系における旋回体4の運動方程式として式(1)を得る。
J0・ω’=τin
ω:回転角速度 (’は時間微分を表す)
τin:モータ入力トルク
Equation (1) is obtained as an equation of motion of the revolving
J 0・ ω '= τ in
ω: Rotational angular velocity ('represents time derivative)
τ in : Motor input torque
現実的には、慣性Jは基準値J0から逸脱し、基準値J0からの変化量をΔJとすると、慣性Jは以下の式で表すことができる。
J=J0+ΔJ
In practice, the inertia J is the departing from the reference value J 0, the change amount from the reference value J 0 and .DELTA.J, inertia J can be represented by the following formula.
J = J 0 + ΔJ
また、現実の系における運動方程式として式(2)を得る。
J・ω’=τin−τdis …(2)
Jは現実の慣性であり、τdisは、外乱トルクである。
Also, Equation (2) is obtained as an equation of motion in an actual system.
J · ω ′ = τ in −τ dis (2)
J is the actual inertia, and τ dis is the disturbance torque.
式(1)、(2)から、以下の式を得る。
(J0+ΔJ)・ω’=τin−τdis
J0・ω’+(ΔJ+τdis/ω’)・ω’=τin
左辺の(ΔJ+τdis/ω’)・ω’を、オブザーバーによって推定するトルク(推定トルク)^τdisとし、(ΔJ+τdis/ω’)を^ΔJとおく。
From the formulas (1) and (2), the following formula is obtained.
(J 0 + ΔJ) · ω ′ = τ in −τ dis
J 0 · ω ′ + (ΔJ + τ dis / ω ′) · ω ′ = τ in
Let (ΔJ + τ dis / ω ′) · ω ′ on the left side be torque (estimated torque) ^ τ dis estimated by the observer, and (ΔJ + τ dis / ω ′) be ^ ΔJ.
J0・ω’+^ΔJω’=τin …(3)
^τdis=^ΔJ・ω’ …(4)
式(1)、(4)から式(5)を得る。
^ΔJ=^τdis/(τin−^τdis)・J0 …(5)
J 0 · ω ′ + ^ ΔJω ′ = τ in (3)
^ Τ dis = ^ ΔJ · ω '(4)
Equation (5) is obtained from equations (1) and (4).
^ ΔJ = ^ τ dis / (τ in − ^ τ dis ) · J 0 (5)
つまり外乱トルクτdisを推定すれば、その値から式(5)にもとづいて慣性Jの変動量ΔJを推定することができる。 That is, if the disturbance torque τ dis is estimated, the fluctuation amount ΔJ of the inertia J can be estimated from the value based on the equation (5).
図9(a)、(b)は、推定外乱トルク^τdisと推定慣性変動量^ΔJの関係を示す図である。図9(a)は、ω>0のとき、図9(b)は、ω<0のときの関係であり、それらは左右対称である。また図中の一点鎖線は式(5)を示す。慣性推定器50bは、一点鎖線の式(5)のΔJをそのまま用いるのではなく、図9に実線で示す関係を用いることが望ましい。 FIGS. 9A and 9B are diagrams showing the relationship between the estimated disturbance torque ^ τ dis and the estimated inertia fluctuation amount ΔΔJ. FIG. 9A shows the relationship when ω> 0, and FIG. 9B shows the relationship when ω <0, which are symmetrical. Moreover, the dashed-dotted line in a figure shows Formula (5). The inertia estimator 50b desirably uses the relationship shown by the solid line in FIG.
τdis>k・τinとなる領域(A)では、^ΔJ=ΔJmaxである。kは、補償すべき最大慣性ΔJmaxから定まる係数である。
また、^τdis<0の領域(B)では、外部からアシストされていることと等価であるため、ΔJ=0とする。
それらの間の領域(C)では、式(5)が用いられる。
In the region (A) where τ dis > k · τ in , ^ ΔJ = ΔJ max . k is a coefficient determined from the maximum inertia ΔJ max to be compensated.
Further, in the region (B) where τ dis <0, it is equivalent to being assisted from the outside, so ΔJ = 0.
In the region (C) between them, equation (5) is used.
図8に戻る。続いて慣性推定器50bによる外乱トルクτdisの推定を説明する。たとえば慣性推定器50bは、式(6)にもとづいて推定外乱トルク^τdisを計算する。
^τdis=gob/(s+gob)×(τin−J0sω)
=gob/(s+gob)×(τin−gobJ0ω)−gobJ0ω …(6)
ただし、gobはオブザーバゲインである。
Returning to FIG. Next, the estimation of the disturbance torque τ dis by the inertia estimator 50b will be described. For example, the inertia estimator 50b calculates the estimated disturbance torque { circumflex over (τ) } dis based on the equation (6).
^ Τ dis = g ob / ( s + g ob) × (τ in -
= G ob / (s + g ob) × (τ in -
Where g ob is an observer gain.
また入力トルクτinの推定値は、式(7)で計算される。
^τin=gob/(s+gob)×τin …(7)
The estimated value of the input torque tau in can be expressed by equation (7).
^ Τ in = g ob / (s + g ob ) × τ in (7)
式(6)、(7)から計算されるトルク^τin、^τdisを式(5)に代入することで、慣性Jの変動量ΔJを推定できる。慣性推定器50bは、式(8)にしたがって比例係数KPを設定する。
KP=KP0×(1+ΔJ/J0)
以上が電動旋回装置500bの構成である。
Equation (6), the torque is calculated from (7) ^ tau in, by substituting ^ tau dis in equation (5) can be estimated variation ΔJ of inertia J. The inertia estimator 50b sets the proportionality coefficient K P according to the equation (8).
K P = K P0 × (1 + ΔJ / J 0 )
The above is the configuration of the electric swivel device 500b.
図10(a)は、比例係数KPを基準値KP0に固定したときの、図10(b)は、図8の電動旋回装置500bにより比例係数KPを変化させたときのシミュレーション波形図である。上段には慣性Jが、下段には速度指令ωcmdおよび応答速度ωresが示される。慣性Jは、0.3から1.0の範囲で台形状に変化している。図10(a)は、図7(a)と同じである。 10 (a) is, when fixing the proportional coefficient K P to the reference value K P0, FIG. 10 (b), a simulation waveform diagram when changing the proportional coefficient K P by the electric turning device 500b of FIG. 8 It is. In the upper part, inertia J is shown, and in the lower part, speed command ω cmd and response speed ω res are shown. Inertia J changes to a trapezoid in the range of 0.3 to 1.0. FIG. 10 (a) is the same as FIG. 7 (a).
電動旋回装置500bによれば、慣性Jに応じて比例係数KPを変化させることで、図10(b)に示すように、慣性Jの値によらずに速度指令ωcmdに対して応答速度ωresを良好に追従させることができる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態にかかわらず、ショベル1の操作感が変化しないことを意味し、操作者に要求される技能、経験を低減することができる。
According to the electric swivel device 500b, by changing the proportional coefficient K P according to the inertia J, the response speed with respect to the speed command ω cmd regardless of the value of the inertia J, as shown in FIG. ω res can be made to follow well. This means that the feeling of operation of the
図11は、図8の電動旋回装置500bの別のシミュレーション波形図である。図11には上から順に、慣性Jおよびその推定値^J、速度指令ωcmdおよび速度応答ωres、が示される。図11に示すように、図8の慣性推定器50bによれば、慣性Jを正しく推定できていることがわかる。 FIG. 11 is another simulation waveform diagram of the electric swivel device 500b of FIG. FIG. 11 shows the inertia J and its estimated value ^ J, the speed command ω cmd and the speed response ω res in order from the top. As shown in FIG. 11, according to the inertia estimator 50b of FIG. 8, it can be seen that the inertia J can be correctly estimated.
第1実施例では、バケットに積載されるがれきや土砂の重量を考慮することが難しい。これに対して第2実施例では、バケットの積載重量による慣性の変動量ΔJも考慮することができるという利点もある。 In the first embodiment, it is difficult to consider the weight of debris and earth and sand loaded in the bucket. On the other hand, in the second embodiment, there is an advantage that the variation amount ΔJ of the inertia due to the load weight of the bucket can be taken into consideration.
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。 In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It is understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, and various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. It is a place. Hereinafter, such modifications will be described.
(第1変形例)
実施の形態では、コントローラ30CがPIコントローラ32を含む場合を説明したが、PIコントローラ32に代えて、PIDコントローラ、あるいはPコントローラを含んでもよい。
(First modification)
Although the case where the
(第2変形例)
実施の形態では、PIコントローラ32の比例係数KPを変化させる場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえば駆動信号生成部40が、トルク指令τinを目標量として旋回用電動機21のトルク(電流)を制御するフィードバック系で構成される場合、駆動信号生成部40も、PIコントローラあるいはPIDコントローラを含む場合がある。この場合、駆動信号生成部40のコントローラの係数を、推定される慣性Jにもとづいて調節してもよい。
(Second modification)
In the embodiment, the case where the proportional coefficient K P of the
(第3変形例)
慣性推定器50における慣性Jの推定方法は、実施例1、実施例2に説明したものには限定されず、当業者によればその他の方法によっても慣性Jを推定しうることが理解される。
(Third Modification)
The method of estimating the inertia J in the
(第4変形例)
実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル1を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、旋回機構を備えるリフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。
(Fourth modification)
In the embodiment, the
1…ショベル、2…走行機構、2A…油圧モータ、3…旋回機構、4…旋回体、4a…運転室、5…ブーム、6…アーム、7…ブームシリンダ、7A…油圧管、8…アームシリンダ、9…バケットシリンダ、10…バケット、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、18,18A,18B…インバータ、18C…旋回用インバータ、19…インタフェース回路、21…旋回用電動機、21A…回転軸、22…レゾルバ、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、27,28…油圧ライン、29…圧力センサ、30…コントローラ、30A,30C…インバータコントローラ、30D…コンバータコントローラ、31…誤差検出器、32…PIコントローラ、40…駆動信号生成部、50…慣性推定器、52…制御対象、100…蓄電手段、300…ブーム回生用発電機、310…油圧モータ、500…電動旋回装置、S1…電流検出値、S3…旋回速度値、S4…速度指令値、S5…トルク電流指令値、S6…トルクリミット値、S7…トルク電流指令値。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
旋回用電動機と、
前記旋回用電動機の回転数を検出する回転角センサと、
前記回転角センサにより検出された前記旋回用電動機の回転数が、目標回転数と一致するように指令値を生成するコントローラと、
前記上部旋回体の慣性を推定し、推定された前記慣性に応じて前記コントローラの制御ゲインを調節する慣性推定器と、
前記指令値にもとづいて前記旋回用電動機を駆動するインバータと、
を備えることを特徴とする電動旋回装置。 An electric turning device mounted on an industrial vehicle including a traveling mechanism and an upper turning body that is turnably mounted on the traveling mechanism, and drives the upper turning body to turn with respect to the traveling mechanism,
An electric motor for turning;
A rotation angle sensor for detecting the rotation speed of the electric motor for turning;
A controller that generates a command value so that the rotation speed of the turning electric motor detected by the rotation angle sensor matches a target rotation speed;
An inertia estimator that estimates the inertia of the upper swing body and adjusts the control gain of the controller according to the estimated inertia;
An inverter that drives the turning electric motor based on the command value;
An electric swivel device comprising:
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