CN103797194A - 电动回转控制装置及回转用电动机的控制方法 - Google Patents

电动回转控制装置及回转用电动机的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电动回转控制装置及回转用电动机的控制方法。本发明的电动回转控制装置（40）具有：回转用电动机（21），驱动使上部回转体（3）相对下部行走体（1）回转的回转机构（2）；及控制装置（60），驱动控制回转用电动机（21）。控制装置（60）基于将上部回转体（3）减速而使得回转速度成为零时的回转用电动机（21）的输出大小或输出方向，即使上部回转体（3）的回转速度成为零后，仍持续回转用电动机（21）的输出。

Description

电动回转控制装置及回转用电动机的控制方法
技术领域
本发明涉及一种驱动设置在施工机械上的回转体的电动回转控制装置及回转用电动机的控制方法。
背景技术
挖土机等施工机械中为了使斗杆和动臂等工作机构一边回转一边进行工作而大多具有回转体（称为上部回转体）。为了回转驱动回转体而设置回转机构。作为回转机构的动力源，有时使用回转用电动机来代替液压马达。
回转机构的驱动控制中大多使用比例积分控制（PI控制：Proportional Integral Control）。在由PI控制进行的回转用电动机的控制中，对与回转体的回转速度相关的指令速度和实际回转速度之间的偏差进行积分而控制回转用电动机的转矩。此时，如果使以某一回转速度回转的回转体减速进而停止，则有时会在停止位置附近产生回转体摆动停止的现象。该摆动称为摆动返回。摆动返回的原因有很多种，其中之一是由上述的PI控制所引起的。
在回转速度成为零时的瞬间，回转用电动机的转矩不为零，而回转用电动机输出积分控制所涉及的转矩。若回转体的回转面设为水平面，则积分控制所涉及的转矩为与回转方向反方向的转矩。通过该转矩，回转体静止之后（速度成为零之后）向相反方向回转。如此积分控制所涉及的转矩也成为反方向转矩，回转被抑制而速度成为零，并且在相反方向上产生转矩。由此，回转体在停止位置附近一边摆动一边衰减振幅进而停止。该摆动就是摆动返回。
为了抑制上述摆动返回，提出有如下方案：在回转体的速度成为零的瞬间，将积分控制所涉及的转矩重置为零（例如，参考专利文献1）。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-150896号公报
发明的概要
发明要解决的技术课题
若在回转体的速度成为零的瞬间，将积分控制所涉及的转矩重置为零，则在回转体的回转面为水平时，具有抑制摆动返回的效果。然而，在回转体的回转面相对水平方向倾斜时，有可能产生如下问题。即，在如回转体的重心相对回转体的回转中心发生偏离的情况下，且如回转面倾斜时，有可能导致使回转体向相反方向回转的转矩变大而非抑制摆动返回的效果。
具体而言，回转体的回转面相对水平面倾斜，并且有时会停止回转体的重心沿斜面下降方向的回转。称这种条件的回转为“下降回转”。
在“下降回转”中，有可能导致在回转体停止之后马上再次因自身重量而回转。将回转体以沿斜面倾斜的状态停止时，需保持使回转用电动机的转矩留有一定程度的状态，以使回转体不会沿斜面下降。这是因为，若在回转体的速度成为零的瞬间将回转用电动机的转矩重置为零，则在产生用于维持回转体的停止的转矩（用于维持回转体的速度为零的转矩）为止的期间，防止回转体因自身重量而向下降方向回转的事态。
回转体的回转面相对水平面倾斜，并且与上述下降斜面回转相反，有时会停止回转体的重心沿斜面上升方向的回转。称这种条件的回转为“上升回转”。
在“上升回转”中，当以比较大的减速度停止时，回转用电动机在回转体停止之前产生的积分控制转矩成为与回转方向相反方向的转矩。因此，通过在回转体停止的瞬间将该转矩重置为零，能够迅速产生相反方向的转矩（维持回转体的停止的方向的转矩）。
另一方面，在“上升回转”中，当比较缓慢地减速而停止时，回转用电动机在回转体停止之前产生的积分控制转矩已经成为与用于维持回转体为停止状态的转矩相同方向的转矩。因此，若在回转体停止的瞬间将该转矩重置为零，则有可能导致助长再次产生转矩为止期间的回转体的下降方向的回转。
因此，希望开发出解决了上述问题的电动回转控制装置及回转用电动机的控制方法。
用于解决技术课题的手段
根据本发明的一实施方式，提供一种电动回转控制装置，其中，具有驱动使上部回转体相对下部行走体回转的回转机构的回转用电动机，以及驱动控制该回转用电动机的控制装置，该控制装置基于该上部回转体减速而使得回转速度成为零时的该回转用电动机的输出大小或输出方向，即使该上部回转体的回转速度成为零后，仍持续该回转用电动机的输出。
并且，提供一种驱动使上部回转体相对下部行走体回转的回转机构的回转用电动机的控制方法，其中，将该回转用电动机向一个方向旋转驱动而使该上部回转体相对所述下部行走体回转，将该回转用电动机向反方向旋转驱动而使该上部回转体减速，基于该上部回转体减速使得回转速度成为零时的该回转用电动机的输出大小或输出方向，即使该上部回转体的回转速度成为零后，仍持续该回转用电动机的输出。
通过参考附图并阅读以下发明的详细说明，相信会更加清楚本发明的其他目的、特征及优点。
发明效果
根据上述发明，下部行走体被设置在倾斜面的情况下，使上部回转体由回转停止之时，能够一边抑制上部回转体的摆动返回，一边抑制上部回转体的下降。
附图说明
图1是混合式挖土机的侧视图。
图2是表示基于一实施方式的混合式挖土机的驱动系统的结构的方块图。
图3是表示蓄电系统的结构的方块图。
图4是电动回转控制装置的方块图。
图5是用于说明挖土机设置在水平的面上时的上部回转体的回转动作的图。
图6是用于说明挖土机相对水平面倾斜设置时，向与重力相反的方向回转驱动上部回转体时的回转动作的图。
图7是用于说明挖土机相对水平面倾斜设置时，向重力作用的方向回转驱动上部回转体时的回转动作的图。
图8是表示挖土机设置在平地时使上部回转体由回转停止时的速度指令值、测量速度值及转矩指令值的变化的曲线图。
图9是表示在图7所示的例子中进行重置转矩指令值时的曲线图。
图10是表示挖土机设置在坡地时使上部回转体由上升回转快速停止时的速度指令值、测量速度值及转矩指令值的变化的曲线图。
图11是表示在图10所示的例子中进行重置转矩指令值时的曲线图。
图12是表示挖土机设置在坡地时使上部回转体由上升回转缓慢停止时的速度指令值、测量速度值及转矩指令值的变化的曲线图。
图13是表示在图12所示的例子中进行重置转矩指令值时的曲线图。
图14是表示挖土机设置在坡地时使上部回转体由下降回转停止时的速度指令值、测量速度值及转矩指令值的变化的曲线图。
图15是表示在图14所示的例子中进行重置转矩指令值时的曲线图。
图16是停止上部回转体回转时的回转用电动机的转矩控制处理的流程图。
具体实施方式
图1是包含基于一实施方式的电动回转驱动装置的施工机械的一例的混合式挖土机的侧视图。
混合式挖土机的下部行走体1上，经由回转机构2搭载有上部回转体3。上部回转体3上设置有动臂4、斗杆5及铲斗6、以及用于液压驱动它们的动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9。并且，上部回转体3上搭载有驾驶室10及动力源。而且，在上部回转体3上与铲斗6相反的一侧搭载有平衡配重3a。
图2是表示混合式挖土机的驱动系统的结构的方块图。在图2中，分别以双重线表示机械动力系统、以实线表示高压液压管路、以虚线表示先导管路、以单点划线表示电力驱动/控制系统。
作为机械式驱动部的引擎11与作为辅助驱动部的电动发电机12一同连接于变速器13的输入轴。另外，变速器13的输出轴上连接有主泵14及先导泵15。主泵14上经由高压液压管路16连接有控制阀17。
控制阀17为进行液压系统的控制的控制装置。控制阀17上经由高压液压管路连接有下部行走体1用液压马达1A（右用）及1B（左用）、动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9。
电动发电机12上经由逆变器18连接有包含蓄电用的电容器或蓄电池的蓄电装置120。在本实施方式中蓄电装置120作为蓄电器而包含电容器。蓄电装置120上经由逆变器20连接有回转用电动机21。
图3是表示蓄电装置120的结构的方块图。蓄电装置120包含作为蓄电器的电容器19、升降压转换器及DC总线110。DC总线110控制电容器19、电动发电机12及回转用电动机21之间的电力的授受。电容器19上设置有用于检测电容器电压值的电容器电压检测部112及用于检测电容器电流值的电容器电流检测部113。由电容器电压检测部112及电容器电流检测部113检测出的电容器电压值及电容器电流值被供给到控制器30。
升降压转换器100根据电动发电机12及回转用电动机21的运行状态，进行切换升压动作与降压动作的控制，以将DC总线电压值限制在一定的范围内。DC总线110配设于逆变器18、20与升降压转换器100之间，进行电容器19、电动发电机12及回转用电动机21之间的电力的授受。另外，在上述的例子中虽然使用电容器作为蓄电器，但是也可以使用锂离子电池等可充电的二次电池、或者能够进行电力授受的其他形式的电源代替电容器作为蓄电器。
返回图2，回转用电动机21的旋转轴21A上连接有分解器22、机械制动器23及回转减速器24。另外，先导泵15上经由先导管路25连接有操作装置26。
操作装置26上，经由液压管路27及28，分别连接有控制阀17及作为操纵杆操作检测部的压力传感器29。压力传感器29上连接有进行电力系统的驱动控制的控制器30。
引擎11、电动发电机12及回转用电动机21等动力源搭载在图1所示的上部回转体3上。以下对各部进行说明。
引擎11例如为由柴油引擎所构成的内燃机，其输出轴与变速器13的一侧的输入轴连接。该引擎11在挖土机的运行中始终被运行。
电动发电机12只要是能够进行动力运行及再生运行这两者的电动机即可。在此，作为电动发电机12示出通过逆变器20交流驱动的电动发电机。电动发电机12例如能够由磁铁被埋入到转子内部的IPM（InteriorPermanent Magnetic）马达构成。电动发电机12的旋转轴与变速器13的另一侧的输入轴连接。
变速器13具有2个输入轴和1个输出轴。2个输入轴上分别连接有引擎11的驱动轴和电动发电机12的驱动轴。输出轴上连接有主泵14的驱动轴。引擎11的负载大的情况下，电动发电机12进行动力运行，电动发电机12的驱动力经减速器13的输出轴传递到主泵14。由此辅助引擎11的驱动。另一方面，引擎11的负载小的情况下，将引擎11的驱动力经减速器13传递到电动发电机12，从而电动发电机12进行由再生运行产生的发电。电动发电机12的动力运行和再生运行的切换通过控制器30并根据引擎11的负载等进行。
主泵14为产生用于向控制阀17供给的液压的泵。主泵14所产生的液压为了分别驱动液压马达1A、1B、动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9而经由控制阀17被供给。先导泵15为产生液压操作系统中所需的先导压的泵。
控制阀17为根据驾驶员的操作输入来控制分别供给于经由高压液压管路连接的下部行走体1用液压马达1A、1B、动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9的液压，从而对它们进行液压驱动控制的液压控制装置。
逆变器18设置于如上述的电动发电机12与蓄电装置120之间，根据从控制器30发出的指令进行对电动发电机12的运行控制。由此，逆变器18对电动发电机12的动力进行运行控制时，将所需的电力从蓄电装置120供给到电动发电机12。另外，对电动发电机12的再生进行运行控制时，将由电动发电机12产生的电力蓄电到蓄电装置120的电容器19。
蓄电装置120配设于逆变器18与逆变器20之间。由此，在电动发电机12与回转用电动机21的至少任一个进行动力运行时，蓄电装置120对动力运行供给所需的电力。在电动发电机12与回转用电动机21的至少任一个进行再生运行时，蓄电装置120将由再生运行产生的再生电力作为电能而蓄积。
逆变器20设于如上述的回转用电动机21与蓄电装置120之间，根据从控制器30发出的指令，对回转用电动机21进行运行控制。由此，逆变器对回转用电动机21的动力进行运行控制时，将所需的电力从蓄电装置120供给到回转用电动机21。另外，回转用电动机21进行再生运行时，将由回转用电动机21产生的电力蓄电到蓄电装置120的电容器19。
回转用电动机21只要是能够进行动力运行及再生运行这两者的电动机即可，且为了驱动上部回转体3的回转机构2而设置。动力运行时，回转用电动机21的旋转驱动力的旋转力通过减速器24被放大，上部回转体3被加减速控制而进行旋转运动。并且，通过上部回转体3的惯性旋转，转速通过减速器24增加并传递给回转用电动机21，从而能够产生再生电力。在此，作为回转用电动机21，示出利用PWM（Pulse WidthModulation）控制信号通过逆变器20被交流驱动的电动机。回转用电动机21例如能够由磁铁埋入型IPM马达构成。由此，能够产生更大的感应电动势，因此能够在再生时增大由回转用电动机21产生的电力。
另外，蓄电装置120的电容器19的充放电控制根据电容器19的充电状态、电动发电机12的运行状态（动力运行或再生运行）、回转用电动机21的运行状态（动力运行或再生运行），通过控制器30来进行。
分解器22为检测回转用电动机21的旋转轴21A的旋转位置及旋转角度的传感器。分解器22通过与回转用电动机21机械地连接来检测回转用电动机21的旋转前的旋转轴21A的旋转位置与左旋转或右旋转后的旋转位置之差，从而检测旋转轴21A的旋转角度及旋转方向。通过检测回转用电动机21的旋转轴21A的旋转角度，能够求出回转机构2的旋转角度及旋转方向。
机械制动器23为产生机械制动力的制动装置，使回转用电动机21的旋转轴21A机械地停止。机械制动器23通过电磁式开关来切换制动/解除。该切换通过控制器30进行。
回转变速器24为将回转用电动机21的旋转轴21A的转速进行减速并机械地传递到回转机构2的变速器。由此，动力运行时，使回转用电动机21的旋转力增大，能够作为更大的旋转力而传递到回转体。与此相反，再生运行时，使由回转体产生的转速增加，能够使更多的旋转动作产生在回转用电动机21上。
回转机构2能够在回转用电动机21的机械制动器23被解除的状态下回转，由此，上部回转体3向左方向或右方向回转。
操作装置26为用于操作回转用电动机21、下部行走体1、动臂4、斗杆5及铲斗6的操作装置，包含操纵杆26A和26B以及踏板26C。操纵杆26A为用于操作回转用电动机21及斗杆5的操纵杆，且设置在上部回转体3的驾驶座附近。操纵杆26B为用于操作动臂4及铲斗6的操纵杆，且设置在驾驶座附近。另外，踏板26C为用于操作下部行走体1的一对踏板，且设置在驾驶座的脚下。
操作装置26将通过先导管路25被供给的液压（初级侧液压）转换为与驾驶员的操作量（例如以中间位置为基准的操纵杆倾斜角度。）相应的液压（次级侧液压）而输出。从操作装置26输出的次级侧液压通过液压管路27供给至控制阀17，并且通过压力传感器29被检测。
若分别操作操纵杆26A和26B以及踏板26C，则控制阀17通过液压管路27被驱动，由此，通过控制液压马达1A、1B、动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9内的液压，下部行走体1、动臂4、斗杆5及铲斗6被驱动。
另外，液压管路27为了操作液压马达1A及1B而各设置1条（即合计2条），为了分别操作动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸而各设置2条（即合计6条）。因此，液压管路27实际上共有8条，但是为了便于说明，统一成1条来表示。
作为操纵杆操作检测部的压力传感器29检测由操纵杆26A的操作引起的液压管路28内的液压变化。压力传感器29输出表示液压管路28内的液压的电信号。该电信号被输入到控制器30。由此，能够准确地掌握操纵杆26A的操作量。在本实施方式中，虽然使用作为操纵杆操作检测部的压力传感器，但也可以使用将操纵杆26A的操作量直接以电信号读取的传感器。
控制器30为进行挖土机的驱动控制的控制装置，且包含驱动控制装置32、电动回转控制装置40及主控制部60。控制器30由CPU（CentralProcessing Unit）及包含内部存储器的运算处理装置构成。驱动控制装置32、电动回转控制装置40及主控制部60为通过由控制器30的CPU执行被存储到内部存储器的驱动控制用程序来实现的装置。
速度指令转换部31为将从压力传感器29输入的信号转换成速度指令的运算处理部。由此，操纵杆26A的操作量转换成用于使回转用电动机21旋转驱动的速度指令（rad/s）。该速度指令被输入到驱动控制装置32、电动回转控制装置40及主控制部60。
驱动控制装置32为用于进行电动发电机12的运行控制（动力运行或再生运行的切换）以及电容器19的充放电控制的控制装置。驱动控制装置32根据引擎11的负载状态和电容器19的充电状态切换电动发电机12的动力运行和再生运行。驱动控制装置32通过切换电动发电机12的动力运行和再生运行，经由逆变器18进行电容器19的充放电控制。
图4是表示基于本实施方式的电动回转控制装置40的结构的方块图。电动回转控制装置40为用于经由逆变器20进行回转用电动机21的驱动控制而控制上部回转体3的回转动作的控制装置。电动回转控制装置40包含生成用于驱动回转用电动机21的转矩电流增减值（转矩指令值）的驱动指令生成部50及主动控制部60。
驱动指令生成部50中，输入有根据操纵杆26A的操作量从速度指令转换部31输出的速度指令，该驱动指令生成部50根据速度指令生成转矩电流增减值。从驱动指令生成部50输出的转矩电流增减值输入到逆变器20，回转用电动机21利用PWM控制信号通过该逆变器20交流驱动。
逆变器20根据从驱动指令生成部50接收的转矩电流增减值增减转矩电流值而使电动机21向左方向或右方向加速或减速。另外，逆变器20例如设为转矩电流值在负极侧越大，越使上部回转体3向左方向回转的回转用电动机21的转矩增大，且转矩电流值在正极侧越大，越使上部回转体3向右方向回转的回转用电动机21的转矩增大。
主控制部60为进行电动回转控制装置40的控制处理所需的周边处理的控制部。对于具体的处理内容，在相关各处随时予以说明。
驱动指令生成部50包括减法器51、PI控制部52、转矩限制部53及回转动作检测部58。该驱动指令生成部50的减法器51中输入有与操纵杆26A的操作量相应的回转驱动用速度指令（rad/s）。
减法器51从与操纵杆26A的操作量相应的速度指令的值（以下称为速度指令值）减去通过回转动作检测部58检测出的回转用电动机21的转速（rad/s）并输出偏差。该偏差在后述的PI控制部52中，在用于使回转用电动机21的转速接近速度指令值（目标值）的PI控制中使用。
PI控制部52根据从减法器51输入的偏差进行PI控制，以使回转用电动机21的转速接近速度指令值（目标值）（即，使该偏差变小），为此运算所需的转矩电流增减值。所生成的转矩电流增减值输入到转矩限制部53。
具体而言，PI控制部52，将在本次控制周期中从减法器51输入的偏差乘以规定比例（P）增益的值（比例成分），和在本次控制周期中从减法器51输入的偏差与到上一次控制周期之前所积算的偏差的积算值（积分值）加在一起的值乘以规定积分（I）增益的值（积分成分）加在一起，从而求出转矩电流增减值。
并且，PI控制部52通过操纵杆26A的操作量从左（右）方向回转驱动区域过渡到零速度指令区域，或超过零速度指令区域进而过渡到不灵敏区域，从而通过零速度指令开始回转制动时（从回转模式转换到停止（保持控制）模式时），在回转用电动机21的转速在最初达到零（0）的时刻重置偏差的积算值（积分值）（设为0）。
如此，PI控制部52在回转电动机21的转速成为零的时刻，通过重置反馈控制的积分成分，能够抑制摆动返回以防止制动转矩过度残留。另一方面，PI控制部52中，即使在回转电动机21的转速成为零的时刻，反馈控制本身仍持续进行，因此零速度指令与转速之间若产生偏差，则进行由PI控制引起的校正动作，能够防止回转停止时间延迟。
另外，回转电动机21的转速在向右方向回转时以正值来表示，在向左方向回转时以负值来表示，由此PI控制部52，在检测出回转制动开始前的回转方向为左方向时回转用电动机21的转速成为0以下的时刻，或在检测出回转制动开始前的回转方向为右方向时回转用电动机21的转速成为0以上的时刻，重置偏差的积算值（积分值）。或者PI控制部52也可以将回转用电动机21的转速设为绝对值，与回转方向无关地在该绝对值成为0以下的时刻重置偏差的积算值（积分值）。
判定回转用电动机21的转速是否在最初达到零（0）是通过主控制部60来执行的，PI控制部52接收回转用电动机21的转速在最初达到零（0）的判定结果而执行积分成分的重置。
转矩限制部53进行根据操纵杆26A的操作量限制转矩电流增减值的变动幅度的处理。
由于通过PI控制部52运算的转矩电流增减值急剧变动时回转控制性将恶化，因此为了抑制该恶化而进行上述转矩电流增减值的变动幅度的限制。该限制特性具有用于限制上部回转体3的左方向和右方向这两个方向上的急回转的特性，并具有根据操纵杆26A的操作量的增大而使转矩电流增减值的变动幅度缓慢增大的特性。
表示限制特性的数据（例如，以对照表的形式提供。）被储存到主控制部60的内部存储器中，通过转矩限制部53被读取。
接着，对上述混合式挖土机的上部回转体3的回转动作进行说明。
图5是用于说明挖土机设置在水平的面上时的上部回转体3的回转动作的图。图6是用于说明挖土机相对水平面倾斜设置时，上部回转体3向与重力相反的方向回转驱动时的回转动作的图。图7是用于说明挖土机相对水平面倾斜设置时，上部回转体3向重力作用的方向被回转驱动时的回转动作的图。
挖土机设置在平地（水平面）上时，上部回转体3无论是右回转还是左回转，重力都不影响回转动作。通常，如图5（b）所示，在放下动臂4而拉伸斗杆5的状态下，包含铲斗6、斗杆5及动臂4的上部回转体3的重心G与上部回转体的回转中心C不一致，而是在铲斗6侧。上部回转体3的回转面与水平面一致时，即如图5（a）所示，上部回转体3的回转轴与铅垂方向一致时，重力不影响上部回转体3的回转动作。
另一方面，挖土机设置在倾斜面时，重力影响上部回转体3的回转动作。图6示出挖土机设置在坡地（倾斜面）的状态。在图6所示的例子中，以上部回转体3的重心G沿倾斜面向上方回转移动的方式使上部回转体3进行回转（该回转称为“上升回转”）。此时，相对回转驱动上部回转体3的方向，施加于上部回转体3的重力向相反方向进行作用。因此，当处于图6所示的状态时，上部回转体3欲向重心G的位置沿倾斜面下降的方向以自身重量进行回转。即，为了以零速度控制停止上部回转体3，需要利用回转用电动机21施加与重力作用方向相反方向的转矩。另外，当重心G位于平衡配重3a侧时，相对上部回转体3进行作用的自身重量成为反方向。因此，利用回转用电动机21施加的转矩也成为反方向。
图7也表示将挖土机设置在坡地（倾斜面）的状态。在图7所示的例子中，以上部回转体3的重心G沿倾斜面向下方回转移动的方式使上部回转体3进行回转（将该回转称为“下降回转”）。此时，相对回转驱动上部回转体3的方向，施加于上部回转体3的重力也向相同的方向进行作用。因此，与图6所示的状态同样，当处于图7所示的状态时，上部回转体3欲向重心G的位置沿倾斜面下降的方向以自身重量进行回转。即，为了以零速度控制停止上部回转体3，需要利用回转用电动机21施加与重力作用方向相反方向的转矩。另外，当重心G位于平衡配重3a侧时，相对上部回转体3进行作用的自身重量成为反方向。因此，利用回转用电动机21施加的转矩也成为反方向。
接着，对基于本实施方式的回转驱动控制装置40所进行的控制处理进行说明。在此，以上部回转体3的重心G位于铲斗6侧为前提。
回转驱动控制装置40中，如上所述，在将上部回转体3进行减速而回转速度成为零时（即，回转用电动机21的转速成为零时），通过将回转用电动机21的转矩指令值重置为零，从而抑制上部回转体3的摆动返回。其中，能够获得通过将转矩指令值重置为零来抑制上部回转体3的摆动返回的效果是在1）将挖土机设置在平地上时，或者2）设置在坡地且从上升回转快速停止时。即，3）将挖土机设置在坡地且由上升回转缓慢停止时，及4）将挖土机设置在坡地且由下降回转停止时，若将转矩指令值重置为零，则会产生不利的效果，因此此时不进行转矩指令值的重置。
以下，对上述1）～4）这4种条件下的转矩指令值的控制进行说明。
1）将挖土机设置在平地的状态下，停止回转时的控制：
图8是表示挖土机如图5所示地设置在平地时将上部回转体3由回转停止时的回转用电动机21的速度指令值、回转用电动机21的测量速度值（相当于实际速度）及回转用电动机21的转矩值（相当于转矩指令值）的变化的曲线图。图8中，将回转用电动机21的速度指令值用实线表示，将回转用电动机21的测量速度值用粗实线表示，将回转用电动机21的转矩值用单点划线表示。另外，图8为在回转停止时不进行重置转矩指令值时的例子，进行重置转矩指令值时的例子在图9中示出。
上部回转体3开始回转后，在时刻t1，回转用电动机21的速度指令值成为恒定值，且进行等速运行。回转用电动机21的测量速度值稍微落后于速度指令值而追随速度指令值，若经过时刻t1而成为等速运行，则变得与速度指令值相等。在时刻t2速度指令值开始下降，在时刻t3成为零。如此一来，测量速度值稍微落后于速度指令值而开始下降，在时刻t4上成为零（到达零速度）。
等速回转中的转矩值被维持为较低的恒定值Ta，但为了使回转用电动机21减速，转矩值从速度指令值开始下降的时刻t2开始下降，到达相反方向回转的最大转矩值。之后，在时刻t3以后，虽然为了降低减速而将转矩值从最大转矩值逐渐减小，但在测量速度值成为零的时刻t4不为零，只生成与回转相反方向的转矩值为TFT的旋转转矩。该转矩值TFT相当于上述积分控制所涉及的偏差的积分值。
在时刻t4产生有转矩值TFT，由此上部回转体3开始向反方向回转。时刻t4以后转矩值降低而成为相反方向的转矩值。回转用电动机21的逆转变小，再次向原来的回转方向旋转。上部回转体3一边较小幅度摆动（一边重复反转）一边减小振幅，从而上部回转体3停止。
在此，本实施方式中，在时刻t4测量速度成为零时将转矩指令值（转矩值）重置为零，从而抑制回转用电动机21（即上部回转体3）的摆动。图9是表示在时刻t4重置转矩指令值时的转矩指令值及测量速度值的变化的图。图中的点线是表示不重置转矩指令值时的回转用电动机21的测量速度值。若在时刻t4转矩指令值被重置为零，则相反方向的转矩消失，因此能够使回转用电动机21（上部回转体3）摆动的转矩消失，使回转用电动机21（上部回转体3）在时刻t4以后不摆动而立刻停止。
时刻t4以后上部回转体3不摆动，因此将回转用电动机21的速度一直维持为零，由此在时刻t4被重置为零的转矩值在此之后仍维持为THF（零）。
如上所述，在本实施方式中，将上部回转体3向水平方向回转而停止时，如图9所示，通过进行重置转矩指令值，能够消除上部回转体3的摆动返回。
2）在将挖土机设置在倾斜面的状态下，快速停止上升回转时的控制：
图10是表示挖土机如图6所示地设置在坡地时使上部回转体3由上升回转快速停止时的回转用电动机21的速度指令值、回转用电动机21的测量速度值（相当于实际的速度）及回转用电动机21的转矩值（相当于转矩指令值）的变化的曲线图。图10中，将回转用电动机21的速度指令值用实线表示，将回转用电动机21的测量速度值用粗实线表示，将回转用电动机21的转矩值用单点划线表示。另外，图10为在回转停止时不进行重置转矩指令值时的例子，进行重置转矩指令值时的例子在图11中示出。
在图10所示例子中，由于进行上升回转，因此虽然在加速时测量速度值相对速度指令值显著延迟，但是在减速时测量速度值相对速度指令值成为仅稍微延迟。另外，上升回转时由于逆重力而使上部回转体3回转，因此上升回转时的转矩值Tb成为比在平地回转时大。图10所示的例子的情况下，由于使上升回转快速停止，因此转矩值与图8的例子同样地在时刻t2与时刻t3之间成为零之后成为相反方向的转矩值。因此，转矩值在测量速度值成为零的时刻t4不成为零，而只生成与上升回转相反方向的转矩值为TUP-F的旋转转矩。该转矩值TUP-F相当于上述积分控制所涉及的偏差的积分值。
在时刻t4产生有转矩值TUP-F，由此上部回转体3开始向反方向回转。时刻t4以后，转矩值降低而成为相反方向的转矩值。回转用电动机21的逆转变小，再次向原来的回转方向旋转。上部回转体3一边较小幅度摆动（一边重复反转）一边减小振幅，从而上部回转体3停止。
在此，本实施方式中，在时刻t4测量速度成为零时将转矩指令值（转矩值）重置为零，从而抑制回转用电动机21的摆动（即，抑制上部回转体3的下降）。图11是表示在时刻t4将转矩指令值重置时的转矩指令值及测量速度值的变化的图。图中的点线是表示不重置转矩指令值时的回转用电动机21的测量速度值。在时刻t4若转矩指令值被重置而成为零，则相反方向的转矩消失。由此，使回转用电动机21（上部回转体3）摆动的转矩仅成为由上部回转体3的自身重量引起的下降方向的转矩并变小。因此，使回转用电动机21（上部回转体3）在时刻t4以后向相反方向回转的转矩减小。由此，回转用电动机21（上部回转体3）的下降变小，摆动在短时间内减弱（图11中向相反方向仅摆动1次），能够在短时间内停止上部回转体3。时刻t4以后，回转用电动机21持续输出转矩THU，以阻止由上部回转体3的自身重量引起的下降。
如上所述，在本实施方式中，上部回转体3在进行上升回转而快速停止时，如图11所示，通过进行重置转矩指令值，能够抑制由上部回转体3的自身重量引起的下降并且抑制摆动返回。
3）在挖土机设置在倾斜面的状态下，缓慢停止上升回转时的控制：
图12是表示挖土机如图6所示地设置在坡地时使上部回转体3由上升回转缓慢停止时的回转用电动机21的速度指令值、回转用电动机21的测量速度值（相当于实际速度）及回转用电动机21的转矩值（相当于转矩指令值）的变化的曲线图。图12中，回转用电动机21的速度指令值用实线表示，回转用电动机21的测量速度值用粗实线表示，回转用电动机21的转矩值用单点划线表示。另外，图12为在回转停止时不进行重置转矩指令值时的例子，进行重置转矩指令值时的例子在图13中示出。
在图12所示例子中，由于进行上升回转，因此虽然在加速时测量速度值相对速度指令值显著延迟，但是在减速时测量速度值相对于速度指令值成为仅稍微延迟。另外，由于将上升回转缓慢停止，因此与图10所示的例子相比，相对于速度指令值的测量速度值的延迟较小。另外，上升回转时由于逆重力而使上部回转体3回转，因此上升回转时的转矩值比在平地回转时大。图12所示的例子的情况下，由于使上升回转缓慢停止，因此转矩值与图8的例子不同，在时刻t2与时刻t3之间不成为零，即使在时刻t3及时刻t4的时点，也产生有上升回转方向的转矩TUP-S。即，图12所示的例子中，回转的减速以由上部回转体3的重力引起的下降方向的转矩就很充分，回转用电动机21输出用于支承上部回转体的转矩TUP-S。该转矩值TUP-S相当于上述积分控制所涉及的偏差的积分值。
另一方面，图13所示的例子中，在时刻t4，重置转矩指令值。图中的点线表示不重置转矩指令值时的回转用电动机21的测量速度值。若重置转矩指令值，则阻止上部回转体3的下降的转矩消失，因此导致转矩值从零到成为用于支承上部回转体3的自身重量的转矩THU期间大大下降。因此，在缓慢停止上升回转时，优选不重置转矩指令值。
本实施方式中，即使在时刻t4测量速度值成为零，也不进行重置转矩值，转矩TUP-S被维持。通过该转矩TUP-S，时刻t4以后的上部回转体3的下降被抑制，时刻t4以后的转矩值迅速到达用于阻止由上部回转体3的自身重量引起的下降的转矩THU。
如上所述，在本实施方式中，上部回转体3在进行上升回转而缓慢停止时，如图12所示，不进行重置转矩指令值，由此能够抑制由上部回转体3的自身重量引起的下降。
4）在挖土机设置在倾斜面的状态下，停止下降回转时的控制：
图14是表示挖土机如图7所示地设置在坡地时使上部回转体3由下降回转停止时的回转用电动机21的速度指令值、回转用电动机21的测量速度值（相当于实际速度）及回转用电动机21的转矩值（相当于转矩指令值）的变化的曲线图。图14中，回转用电动机21的速度指令值用实线表示，回转用电动机21的测量速度值用粗实线表示，回转用电动机21的转矩值用单点划线表示。另外，图14为在回转停止时不进行重置转矩指令值时的例子，进行重置转矩指令值时的例子在图15中示出。
在图14所示例子中，由于进行下降回转，因此在加速时施加有由上部回转体3的自身重量引起的转矩，因此测量速度值相对于速度指令值的延迟变小。另外，时刻t1以后的转矩Tc比在平地回转时变小（Tc＜Ta）。另一方面，为了停止而进行减速时，还必须与由上部回转体3的自身重量引起的转矩对抗，因此测量速度值相对于速度指令值的延迟变大。图14所示的例子的情况下，为了使下降回转停止，转矩值经过时刻t2后马上成为零，之后相反方向的转矩值达到最大转矩。为了与由上部回转体3的惯性引起的转矩和重量引起的转矩相对抗，相反方向的转矩值变大。转矩值在测量速度值成为零的时刻t4不为零，而只生成与下降回转相反方向的转矩值为TDN的旋转转矩。该转矩值TDN相当于上述积分控制所涉及的偏差的积分值。
转矩值TDN与用于阻止由上部回转体3的自身重量引起的下降的转矩THU为相同方向的转矩，在时刻t4产生有转矩值TDN，由此由上部回转体3的自身重量引起的转矩被消除，时刻t4以后的上部回转体3的下降被阻止。
另一方面，图15所示的例子中，在时刻t4重置转矩指令值。图中的点线表示不重置转矩指令值时的回转用电动机21的测量速度值。若重置转矩指令值，则阻止上部回转体3的下降的转矩消失，因此导致转矩值从零到成为用于支承上部回转体3的自身重量的转矩THD期间大大下降。因此，在停止下降回转时，优选不重置转矩指令值。
本实施方式中，即使在时刻t4测量速度值成为零，也不进行重置转矩值，转矩TDN被维持。通过该转矩TDN，时刻t4以后的上部回转体3的下降被抑制，时刻t4以后的转矩值迅速到达用于阻止由上部回转体3的自身重量引起的下降的转矩THD。
如上所述，在本实施方式中，上部回转体3进行下降回转而停止时，如图14所示，转矩指令值不进行重置，由此能够抑制由上部回转体3的自身重量引起的下降并且防止摆动。
接着，参考图16对基于本实施方式的电动回转驱动装置40所进行的回转用电动机21的转矩控制进行说明。图16是停止上部回转体3回转时的回转用电动机21的转矩控制处理的流程图。
转矩控制处理一开始，首先在步骤S1中，判定上部回转体3的回转速度成为零时的回转用电动机21的转矩指令值是否为加速方向。
在步骤S1中，判定转矩指令值为加速方向时，（步骤S1的YES）处理进入到步骤S2。判定转矩指令值为加速方向时，为上述的3）将挖土机设置在倾斜面的状态下缓慢停止上升回转时。在步骤S2中，不重置转矩指令值而直接供给到回转用电动机21。
另一方面，在步骤S1中，判定转矩指令值不为加速方向时，（步骤S1的NO）处理进入到步骤S3。判定转矩指令值不为加速方向时，为上述的1）将挖土机设置在平地的状态下停止回转时，2）将挖土机设置在倾斜面的状态下快速停止上升回转时，及4）将挖土机设置在倾斜面的状态下停止下降回转时。
在步骤S3中，判定上部回转体3的回转速度成为零时的回转用电动机21的转矩指令值是否在预先设定的规定值TTH以上。该规定值TTH为将回转方向的转矩值设为正，将与回转方向相反方向的转矩值设为负时的转矩值的绝对值，且设定为图14所示的转矩TDN（负值）的绝对值与图8所示的转矩TFT（负值）的绝对值之间的值即可（TDN＞TTH＞TFT）。
在步骤S3中，判定为转矩指令值为规定值以上时（步骤S3的YES），处理进入到步骤S2，不进行重置转矩指令值而直接供给到回转用电动机21。判定为转矩指令值为规定值以上而进入到步骤S2时，为上述的4）将挖土机设置在倾斜面的状态下停止下降回转时。
另一方面，在步骤S3中，判定为转矩指令值不在规定值以上时（步骤S3的NO），处理进入到步骤S4。判定为转矩指令值不在规定值以上而进入到步骤S4时，为上述的1）将挖土机设置在平地的状态下停止回转时，及2）将挖土机设置在倾斜面的状态下快速停止上升回转时。在步骤S3中上部回转体3的回转速度成为零时（时刻t4）的转矩指令值被重置而设定为零。进入到步骤S4时，为上述的1）将挖土机设置在平地的状态下停止回转时，及2）将挖土机设置在倾斜面的状态下快速停止上升回转时，并在这些情况下进行转矩指令值的重置。
根据以上的转矩控制处理，到达零速度时的转矩方向为加速方向时，不进行回转用电动机21的转矩指令值的重置。另一方面，到达零速度时的转矩方向为减速方向，且转矩的绝对值小于规定值TTH时，重置回转用电动机21的转矩指令值使其为零。另外，到达零速度时的转矩方向为减速方向，且转矩的绝对值在规定值TTH以上时，不进行回转用电动机21的转矩指令值的重置。
即，在以上的转矩控制处理中，根据回转停止时（到达零速度时）的转矩的方向及大小，判断是否重置（是否设为零）回转用电动机21的转矩指令值，兼顾抑制平地上的摆动返回和抑制坡地上的下降。尤其无需利用例如倾斜传感器等判定平地或坡地，而能够以简单的处理实现有效的转矩控制处理。另外，无需判定上部回转体3的重心相对回转中心处于哪个位置，而能够与重心的位置无关地实现在坡地上的转矩控制。
在本说明书中通过混合式挖土机的实施方式对本发明进行了说明，但本发明不仅限于具体公开的上述实施方式，在不脱离本发明的范围内，能够实施各种变形例及改良例。
本申请主张基于2011年9月15日申请的日本专利申请第2011-202117号的优先权，其全部内容援用于本申请中。
产业上的可利用性
本发明可适用于驱动设置在施工机械上的回转体的电动回转控制装置及回转用电动机的控制方法。
符号的说明：
1-下部行走体，1A、1B-液压马达，2-回转机构，3-上部回转体，3a-平衡配重，4-动臂，5-斗杆，6-铲斗，7-动臂缸，8-斗杆缸，9-铲斗缸，10-驾驶室，11-引擎，12-电动发电机，13-变速器，14-主泵，15-先导泵，16-高压液压管路，17-控制阀，18、20-逆变器，19-电容器，21-回转用电动机，22-分解器，23-机械制动器，24-回转变速器，25-先导管路，26-操作装置，26A、26B-操纵杆，26C-踏板，26D-按扭开关，27-液压管路，28-液压管路，29-压力传感器，30-控制器，31-速度指令转换部，40-电动回转控制装置，50-驱动指令生成部，51-减法器，52-PI控制部，53、54-转矩限制部，58-回转动作检测部，60-主控制部，120-蓄电装置。

Claims (10)

1.一种电动回转控制装置，其特征在于，具有：
回转用电动机，驱动使上部回转体相对下部行走体回转的回转机构；及
控制装置，控制该回转用电动机的驱动，
该控制装置基于所述上部回转体减速而使得回转速度成为零时的所述回转用电动机的输出大小或输出方向，即使所述上部回转体的回转速度成为零后，仍持续所述回转用电动机的输出。
2.根据权利要求1所述的电动回转控制装置，其特征在于，
若在所述上部回转体的回转速度成为零时所述回转用电动机输出的转矩方向与所述上部回转体回转过的方向相同，则所述控制装置持续所述回转用电动机的输出。
3.根据权利要求1所述的电动回转控制装置，其特征在于，
所述控制装置在所述上部回转体的回转速度成为零时所述回转用电动机输出的转矩大小在规定值以上时，持续所述回转用电动机的输出。
4.根据权利要求1所述的电动回转控制装置，其特征在于，
所述控制装置在所述上部回转体的回转速度成为零时所述回转用电动机输出的转矩的绝对值小于规定值时，将所述回转用电动机的输出设为零或减少输出。
5.根据权利要求4所述的电动回转控制装置，其特征在于，
所述控制装置通过比例积分控制来控制所述回转用电动机的输出，且在所述上部回转体的回转速度成为零时所述回转用电动机输出的转矩的绝对值小于规定值时，将所述比例积分控制中的积分成分重置而设定为零。
6.一种驱动使上部回转体相对下部行走体回转的回转机构的回转用电动机的控制方法，其特征在于，
将所述回转用电动机驱动为向一个方向旋转而使所述上部回转体相对所述下部行走体回转，
将所述回转用电动机驱动为向反方向旋转而使所述上部回转体减速，
基于所述上部回转体减速而回转速度成为零时的所述回转用电动机的输出大小或输出方向，即使所述上部回转体的回转速度成为零后，仍持续所述回转用电动机的输出。
7.根据权利要求6所述的回转用电动机的控制方法，其特征在于，
若所述上部回转体的回转速度成为零时所述回转用电动机输出的转矩方向与所述上部回转体回转的方向相同，则持续所述回转用电动机的输出。
8.根据权利要求6所述的回转用电动机的控制方法，其特征在于，
所述上部回转体的回转速度成为零时所述回转用电动机输出的转矩大小在规定值以上时，持续所述回转用电动机的输出。
9.根据权利要求6所述的回转用电动机的控制方法，其特征在于，
所述上部回转体的回转速度成为零时所述回转用电动机输出的转矩的绝对值小于规定值时，将所述回转用电动机的输出设为零或减少输出。
10.根据权利要求9所述的回转用电动机的控制方法，其特征在于，
通过比例积分控制来控制所述回转用电动机的输出，且在所述上部回转体的回转速度成为零时所述回转用电动机输出的转矩的绝对值小于规定值时，将所述比例积分控制中的积分成分重置而设定为零。
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