JP2004036303A - 作業機械の旋回制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機トルクの最大値を制限するトルク制限付きの旋回制御を行う作業機械において、傾斜地で上り傾斜側に向かって旋回開始する場合等に、トルク不足によって旋回体が逆方向に旋回してしまう逆行を防止する。
【解決手段】旋回操作部２８の操作レバー２８ａが予め設定した中立範囲にあるときに、コントローラ２９によって旋回体をその場に保持する位置保持制御を行い、このとき発生するその場保持トルクをコントローラ２９に記憶しておき、旋回開始時に、レバー操作量に応じた加速トルクと、記憶したその場保持トルクのうち大きい方を加速のための電動機トルクとして設定する構成とした。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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やクレーン等の作業機械の旋回制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ショベルやクレーン等の旋回式作業機械においては、通常、旋回駆動源として油圧モータを用い、この油圧モータを油圧ポンプの吐出油によって駆動する油圧モータ駆動方式をとっている。
【０００３】
この油圧モータ駆動方式をとる場合、油圧ポンプと油圧モータとの間にコントロールバルブを設け、このコントロールバルブにより方向、圧力、流量を制御して油圧モータの作動方向、力、速度を制御している。
【０００４】
しかし、この方式では、油圧エネルギーをコントロールバルブで絞り捨てる量が多くてエネルギー損失が大きいという問題があった。
【０００５】
そこで最近、旋回駆動源として電動機を用いる電動機駆動方式が提案されている（たとえば特開平１１−９３２１０号参照）。
【０００６】
また、クライミングクレーンやマイニング用の大型電気ショベルでは、従来から旋回動作に電動機駆動方式が採用されている。
【０００７】
これらの電動機旋回駆動方式においては、電動機の回転方向と速度を変えることによって旋回方向と旋回速度をコントロールするものであり、エネルギー効率を大きく改善することができる。
【０００８】
一方、この電動機旋回駆動方式をとる場合、普通は、レバー操作量に対応する目標速度と実際速度の偏差を無くする方向に速度を制御するフィードバック速度制御方式が用いられる。
【０００９】
ただし、この速度制御だけでは、たとえばショベルによる溝掘削作業において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、実際の旋回速度（０）と目標速度との偏差が大きくなり、フィードバック作用によってわずかの操作量でも旋回トルクが最大となってトルク制御ができなくなる等の不都合が発生する。
【００１０】
このため、フィードバック速度制御をとりながら、レバー操作量に応じたトルク制限を加えるのが望ましい。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようにトルク制限を加えると、レバー操作量が小さいときは電動機トルクも小さくなるため、傾斜地で上り側に向かって旋回を開始する場合や、強風下で風上側に向かって旋回開始する場合に、加速トルクが不足して旋回体が逆方向に旋回してしまう所謂「逆行」が発生し、安全性及び操作性が低下するという問題があった。
【００１２】
そこで本発明は、トルク制限をかけながら、トルク不足による旋回体の逆行を防止する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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、旋回体を旋回駆動する電動機と、旋回指令を出す操作手段と、この操作手段からの旋回指令に基づいて上記電動機を制御する制御手段と、旋回速度を検出する旋回速度検出手段とを具備し、上記制御手段により、上記操作手段の操作量に応じた速度制御を行い、かつ、上記操作量に応じて加速トルクの最大値を制限する作業機械の旋回制御装置において、上記制御手段は、上記操作手段が予め設定された中立範囲にあるときに上記旋回体の位置保持制御を行い、このとき上記電動機に発生するトルクをその場保持トルクとして記憶し、旋回加速時にこの記憶したその場保持トルクと上記操作手段の操作量に応じた加速トルクのうち大きい方を加速のための電動機トルクとして設定するように構成されたものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、制御手段は、旋回減速時に、予め設定した制動トルク特性に基づいて操作手段の操作量に応じた制動トルクを求め、この制動トルクと、記憶したその場保持トルクのうち大きい方を減速のための電動機トルクとして設定するように構成されたものである。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、制御手段は、操作手段が中立範囲に戻されて位置保持制御が働いたときに、記憶したその場保持トルクを初期値に変更するように構成されたものである。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、機械的ブレーキ力を発生させるメカニカルブレーキが設けられ、制御手段は、操作手段が中立範囲の一部であって絶対中立点を含むメカニカルブレーキ区間にあるときに上記メカニカブレーキを作用させるように構成されたものである。
【００１７】
上記構成によると、旋回を開始する場合、操作手段が中立範囲にあるときは、旋回体をその場に保持するのに必要な「その場保持トルク」を発生させる位置保持制御が行われ、このとき発生したその場保持トルクが制御手段に記憶される。
【００１８】
そして、操作手段が中立範囲以上に操作されると、その操作量に応じた加速トルクと、記憶したその場保持トルクのうち大きい方が加速のための電動機トルクとして設定され、このトルクで旋回加速作用が行われる。
【００１９】
従って、旋回加速時に、旋回体には常にその場保持トルク以上のトルクが働くため、傾斜地で上り側に向かって旋回開始する場合や、強風下で風上側に向かって旋回開始する場合等に旋回体が逆行するおそれがなくなる。
【００２０】
また、請求項２の構成によると、旋回減速時に、記憶したその場保持トルクと、操作量に応じて制動トルク特性から求められる制動トルクのうち大きい方を減速のための電動機トルクとして設定するため、旋回停止時にも旋回体の逆行を防止することができる。
【００２１】
請求項３の構成によると、操作手段が中立範囲に戻されて位置保持制御が働いたときに、記憶したその場保持トルクが初期値に変更される。すなわち、旋回停止ごとに、次の旋回開始時に発生するその場保持トルクへの記憶値更新に備えるため、旋回停止ごとに傾斜地の傾斜度や荷の有無による旋回体の重量等の条件が変動しても、旋回体の逆行を確実に防止することができる。
【００２２】
請求項４の構成によると、操作手段が中立範囲の一部であって絶対中立点を含むメカニカルブレーキ区間にあるときにメカニカブレーキを作用させるため、突風等の外乱や不測の外力の影響を排して旋回停止状態を確実に保持することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図によって説明する。
【００２４】
この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。
【００２５】
図１にショベル全体の概略構成と機器配置、図２に駆動・制御系のブロック構成をそれぞれ示している。
【００２６】
図１において、１はクローラ式の下部走行体、２は上部旋回体、３は上部旋回体２の前部に装着された掘削アタッチメントで、この掘削アタッチメント３は、ブーム４、アーム５、バケット６、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９を具備している。
【００２７】
下部走行体１は左右のクローラ１０Ｌ，１０Ｒを備え、この両側クローラ１０Ｌ，１０Ｒがそれぞれ走行モータ１１Ｌ，１１Ｒ及び減速機１２Ｌ，１２Ｒにより回転駆動されて走行する。
【００２８】
上部旋回体２には、エンジン１３と、このエンジン１３によって駆動される油圧ポンプ１４及び発電機１５と、バッテリ１６と、旋回用電動機１７及び同減速機構１８が搭載されている。
【００２９】
図２に示すように、油圧ポンプ１４の吐出油はブーム、アーム、バケットの各シリンダ７，８，９及び左右の走行油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒにそれぞれ制御弁１９，２０，２１，２２，２３を介して供給され、この制御弁１９〜２３によって作動が制御される。
【００３０】
発電機１５は増速機構２４を介してエンジン駆動力を加えられ、この発電機１５で作られた電力が、電圧及び電流を制御する制御器２５を介してバッテリ１６に蓄えられるとともに、制御手段の一部であるインバータ２６を介して旋回用電動機１７に加えられる。
【００３１】
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２７が設けられ、このメカニカルブレーキ２７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１８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。
【００３２】
２８は旋回操作手段としての旋回操作部（たとえばポテンショメータ）で、この操作部２８がレバー２８ａ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の一部であるコントローラ２９に入力される。
【００３３】
また、センサとして、旋回用電動機１７の回転速度（旋回速度）を検出する速度センサ３０と、上部旋回体２の旋回停止位置を０点として検出する位置センサ（たとえばエンコーダ）３１が設けられ、この両センサ３０，３１からの信号がインバータ２６経由でコントローラ２９に制御データとして入力される。
【００３４】
コントローラ２９には、予め、図３に示すように、旋回操作部２８の操作量が０である絶対中立点Ｏに左右の旋回方向に所定の幅（たとえば操作レバー２８ａの倒し角度で左右各７．５゜）を持たせた中立範囲Ｎが設定され、この中立範囲Ｎを超えてレバー操作されたときに図示のトルク特性に基づくトルク制限付きの速度制御が行われる。
【００３５】
中立範囲Ｎ内には、メカニカルブレーキ２７がブレーキ作用を発揮するメカニカルブレーキ区間Ｂが、絶対中立点Ｏを含む内側領域に設定されるとともに、外側領域に、位置保持制御（（サーボロック制御＝位置センサ３１からの信号に基づいて旋回体２をその場に保持するための制御）が行われる位置保持制御区間Ａが設定されている。
【００３６】
この位置保持制御区間Ａはメカニカルブレーキ区間Ｂと一部重複して設定され、この重複した併用区間Ｃで位置保持制御とメカニカルブレーキ作用とが同時に働くように構成されている。
【００３７】
図３中、ＬｎＬ，ＬｎＲは中立範囲Ｎを画する左右両旋回方向の中立識別点、ＬｂＬ，ＬｂＲはメカニカルブレーキ区間Ｂの始終点となるメカニカルブレーキ識別点、ＬｚＬ，ＬｚＲは位置保持制御の始終点となる位置保持制御識別点である。
【００３８】
旋回用電動機１７は、このような設定に基づき、コントローラ２９及びインバータ２６によって次のように制御される。
【００３９】
旋回加速時
レバー操作量が図３のメカニカルブレーキ区間Ｂ中の位置保持制御識別点ＬｚＬ，ＬｚＲ間にあるときはメカニカルブレーキ２７が作動し、このメカニカルブレーキ力のみによって旋回体２が停止状態に保持される。
【００４０】
次に、レバー操作量が併用区間Ｃに達すると位置保持制御が働き、メカニカルブレーキ力とこの位置保持制御作用とによって旋回体２が停止保持される。
【００４１】
レバー操作量が併用区間Ｃを超えると、メカニカルブレーキ２７が解除されて位置保持制御のみが働き、この位置保持制御の作用によって旋回体２がその場保持される。
【００４２】
このとき電動機１７に発生したトルク（その場保持トルク）がインバータ２６を介してコントローラ２９に記憶される。
【００４３】
なお、その場保持トルクは、電動機１７の最大トルクＴｍａｘまで達する可能性があり、図３ではその場保持トルクがこの電動機最大トルクＴｍａｘのレベルに達した場合を例示している。
【００４４】
さらに、レバー操作量が位置保持制御区間Ａ（中立範囲Ｎ）を超えると、コントローラ２９で、図３に示すレバー操作量に応じた加速トルク（加速トルクの最大値）と、上記記憶したその場保持トルクとが比較され、このうち大きい方のトルクが加速のための電動機トルクとして設定され、このトルクによって旋回体２が旋回駆動される。
【００４５】
すなわち、上記設定されたトルクを最大値とするトルク制限付きのフィードバック速度制御によって電動機１７が旋回する。
【００４６】
このように、旋回加速時に、旋回開始直前まで実際に発生していたその場保持トルク以上のトルクが加速のための電動機トルクとして設定されるため、傾斜地で上り側に向かって旋回開始する場合や、強風下で風上側に向かって旋回開始する場合に、旋回体２がトルク不足によって逆方向に旋回する「逆行」の発生を確実に防止することができる。
【００４７】
旋回減速時
操作レバー２８ａが図３の中立範囲Ｎ外の旋回指令位置から中立範囲Ｎに向かって戻される減速時には、図３中の制動トルク特性に基づいてレバー操作量に応じた制動トルクが求められ、この求められた制動トルクと、前記のように旋回開始時にコントローラ２９に記憶されたその場保持トルクのうち大きい方が減速のための電動機トルクとして設定され、この設定されたトルクによって旋回体２が減速する。
【００４８】
これにより、たとえば傾斜地で旋回停止する場合も、常に電動機トルクが重力と釣り合う大きさとなるため、制動トルクが重力に負けて旋回体２が下り側に逆行するおそれがなくなる。
【００４９】
また、レバー操作量が図３の中立範囲Ｎに戻されて位置保持制御区間Ａに入ると、位置保持制御が開始され、さらメカニカルブレーキ区間Ｂに達したときにメカニカルブレーキ２７が働いて旋回体２が停止保持される。
【００５０】
このとき、位置保持制御が開始されたことをもって、前記旋回開始時に記憶したその場保持トルクが初期値に変更され、次の記憶値の更新に備える。
【００５１】
従って、旋回停止ごとに傾斜地の傾斜度や、荷の有無等による旋回体の重量等の条件が変動しても、その条件に応じたその場保持トルクを新たに記憶するため、旋回加速時及び減速時の旋回体２の逆行を確実に防止することができる。
【００５２】
ところで、上記実施形態では、旋回動力として電気を用い、他の動作の動力として油圧を用いる所謂パラレル方式をとるショベルを適用対象として例にとったが、本発明はすべてのアクチュエータの動力源として電気動力を用いる所謂シリーズ方式をとるショベルにも適用することができる。
【００５３】
また、上記実施形態では、位置保持制御の働きとメカニカルブレーキ作用とによって旋回体２を停止保持する場合を例にとったが、本発明は位置保持制御のみによって停止保持する場合にも適用することができる。
【００５４】
さらに、本発明はショベルに限らず、クレーンを含む旋回式作業機械に広く適用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
上記のように本発明によると、操作手段が予め設定した中立範囲にあるときに位置保持制御を行い、このとき発生するその場保持トルクを記憶しておき、旋回開始時に、操作手段の操作量に応じた加速トルクと、記憶したその場保持トルクのうち大きい方を加速のための電動機トルクとして設定する構成としたから、傾斜地で上り側に向かって旋回開始する場合や、強風下で風上側に向かって旋回開始する場合等に旋回体が逆行するおそれがなくなる。
【００５６】
また、請求項２の発明によると、旋回減速時に、記憶したその場保持トルクと、操作量に応じて制動トルク特性から求められる減速トルクのうち大きい方を減速トルクとして設定するため、旋回停止時にも旋回体の逆行を防止することができる。
【００５７】
請求項３の発明によると、操作手段が中立範囲に戻されて位置保持制御が働いたときに、記憶したその場保持トルクを初期値に変更し、次のその場保持トルクへの記憶値更新に備えるため、旋回停止ごとに傾斜地の傾斜度や荷の有無等による旋回体の重量等の条件が変動しても、旋回体の逆行を確実に防止することができる。
【００５８】
請求項４の発明によると、操作手段が中立範囲の一部であって絶対中立点を含むメカニカルブレーキ区間にあるときにメカニカブレーキを作用させるため、突風等の外乱や不測の外力の影響を排して旋回停止状態を確実に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるショベルの全体構成と機器配置を示す側面図である。
【図２】同ショベルの駆動・制御系のブロック構成図である。
【図３】同ショベルの操作量と旋回加速トルク及び同減速トルクの関係を示す図である。
【符号の説明】
２　上部旋回体
１７　旋回用電動機
２７　メカニカルブレーキ
２８　旋回操作部（操作手段）
２８ａ　操作レバー
２６　制御手段を構成するインバータ
２９　同コントローラ
３０　速度センサ
３１　位置保持制御のための位置センサ

Claims (4)

1. 旋回体を旋回駆動する電動機と、旋回指令を出す操作手段と、この操作手段からの旋回指令に基づいて上記電動機を制御する制御手段と、旋回速度を検出する旋回速度検出手段とを具備し、上記制御手段により、上記操作手段の操作量に応じた速度制御を行い、かつ、上記操作量に応じて加速トルクの最大値を制限する作業機械の旋回制御装置において、上記制御手段は、上記操作手段が予め設定された中立範囲にあるときに上記旋回体の位置保持制御を行い、このとき上記電動機に発生するトルクをその場保持トルクとして記憶し、旋回加速時にこの記憶したその場保持トルクと上記操作手段の操作量に応じた加速トルクのうち大きい方を加速のための電動機トルクとして設定す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。
2. 請求項１記載の作業機械の旋回制御装置において、制御手段は、旋回減速時に、予め設定した制動トルク特性に基づいて操作手段の操作量に応じた制動トルクを求め、この制動トルクと、記憶したその場保持トルクのうち大きい方を減速のための電動機トルクとして設定す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。
3. 請求項１または２記載の作業機械の旋回制御装置において、制御手段は、操作手段が中立範囲に戻されて位置保持制御が働いたときに、記憶したその場保持トルクを初期値に変更す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。
4. 請求項１乃至３のいずれかの構成において、機械的ブレーキ力を発生させるメカニカルブレーキが設けられ、制御手段は、操作手段が中立範囲の一部であって絶対中立点を含むメカニカルブレーキ区間にあるときに上記メカニカブレーキを作用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。

Images