JP2008088659A - 作業機械の旋回制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】油圧アクチュエータによる油圧動作と電動機による旋回動作を併用する作業機械において、旋回と他の油圧動作を同時に行う複合操作時の旋回特性を油圧旋回のそれにより近いものとして操作性を改善する。
【解決手段】ブーム上げ操作量に応じた速度で旋回電動機19を回転させる旋回制御装置において、旋回動作とブーム上げ動作を同時に行わせる複合操作時に、コントローラ23の旋回トルク制限値設定手段34によりブーム上げ操作量に応じた旋回トルクの制限値を求め、これを旋回トルク制限値として旋回速度制御手段32に送り、旋回トルク制限手段35により旋回トルクの指令値にトルク制限をかけるようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は油圧アクチュエータによる油圧動作と電動機による旋回動作を併用する油圧/電気併用式の作業機械の旋回制御装置に関するものである。
ショベルを例にとって背景技術を説明する。
ショベルは、図7,8に示すように、クローラ式の下部走行体1上に上部旋回体2が縦軸Oまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体2に、ブーム3、アーム4、バケット5及びブーム用、アーム用、バケット用各シリンダ6,7,8を備えた掘削アタッチメントAが装着されて構成される。
このショベルにおいて、油圧ポンプで駆動される油圧アクチュエータによって全ての動作を行わせる全油圧駆動方式に代えて、特許文献1に示されるように、旋回動作を電動機(旋回電動機)によって行わせ、他の動作はこれまで通り油圧ポンプで駆動される油圧アクチュエータによって行わせる油圧/電気併用方式が提案されている。以下、必要に応じて全油圧駆動方式をとるショベルを全油圧ショベル、併用方式をとるショベルを併用ショベルという。
この併用ショベルでは、旋回動作が電動機で独立して行われ、油圧動作に影響されることがないため、旋回動作と油圧動作を同時に行わせる複合操作時に、全油圧ショベルと異なった動きが発生する。
代表的な例として、旋回中にブーム3を上げる旋回/ブーム上げ複合操作時に、全油圧ショベルでは、ブーム上げによって旋回モータ(油圧モータ)への供給油量が減少するため旋回速度が低下し、この低下の度合いがブーム上げ操作量に応じて変化する。
このため、このような全油圧ショベルの動きに慣れたオペレータにとって、上記複合操作時に旋回速度が変化しない併用ショベルでは動きに違和感があり、この点で操作性が悪いという問題があった。
なお、特許文献1では、エンジン回転数の変化に対して旋回速度が変化しないため違和感があるという問題に対し、エンジン回転数に応じて旋回速度を変えることにより、油圧ショベルの動きに似せる制御を行っている。
従って、この技術を応用し、旋回/ブーム上げ複合操作時にたとえばブーム上げ操作量に応じて旋回速度が低下するように旋回電動機を制御することは可能である。
WO 2006/004080 A1
しかし、複合操作時の全油圧ショベルの旋回特性として、ポンプから旋回モータに供給される油量の低下に伴って同時に圧力が低下することで加速が鈍り、速度が低下するのであって、単に目標速度と実速度の偏差を埋めていくフィードバック速度制御を行うだけでは、速度がやがて目標値に収まるというだけで『加速が鈍る』という動き、感覚が得られない。
とくに旋回/ブーム上げ複合操作時には、ブームシリンダに対する供給油量の変化が大きく、それだけ全油圧ショベルでは加速の鈍化も激しいため、単なる速度制御では油圧旋回の特性が十分実現されず、なお操作の違和感が残ることになる。
そこで本発明は、上記複合操作時の旋回特性を全油圧ショベルのそれにより近いものとして操作性を改善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。
請求項1の発明は、旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、上記旋回電動機に対する旋回指令を出す旋回操作手段と、上記油圧アクチュエータに対する作動指令を出す油圧アクチュエータ操作手段と、上記旋回操作手段の操作量である旋回操作量を検出する旋回操作量検出手段と、上記油圧アクチュエータ操作手段の操作量である油圧アクチュエータ操作量を検出する油圧アクチュエータ操作量検出手段と、これら両操作量検出手段からの信号に基づいて上記旋回電動機を制御する制御手段とを具備し、この制御手段は、上記旋回電動機を、
(A) 上記旋回操作量に応じた速度に制御し、
(B) 旋回動作と、上記油圧アクチュエータによる油圧動作を同時に行わせる複合操作時に、上記油圧アクチュエータ操作量の増加に応じて旋回の加速が鈍化する方向にトルク制御する
ように構成されたものである。
請求項2の発明は、請求項1の構成において、制御手段は、複合操作時に、油圧アクチュエータ操作量の増加に応じて旋回トルクが小さくなる方向に旋回電動機をトルク制御するように構成されたものである。
請求項3の発明は、請求項1の構成において、制御手段は、複合操作時に、油圧アクチュエータ操作量に応じて旋回加速度が小さくなる方向に旋回電動機をトルク制御するように構成されたものである。
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、油圧アクチュエータとしてブームを上げ下げするブームシリンダ、油圧アクチュエータ操作手段としてブーム上げの指令を出すブーム上げ操作手段、油圧アクチュエータ操作量検出手段として上記ブーム上げ操作手段の操作量を検出するブーム上げ操作量検出手段をそれぞれ備え、制御手段は、旋回電動機を、上記ブーム上げ操作量の増加に応じて旋回の加速を鈍化させる方向にトルク制御するように構成されたものである。
本発明によると、旋回動作と油圧動作(とくに請求項4のブーム上げ動作)を同時に行わせる複合操作時に、旋回電動機を、油圧アクチュエータ操作量の増加に応じて旋回の加速が鈍化する方向(請求項2では旋回トルクが小さくなる方向、請求項3では旋回加速度が小さくなる方向)にトルク制御するため、加速が鈍りながら速度が低下するという全油圧ショベルの動きにきわめて近い動き、感覚を実現することができる。このため、全油圧ショベルとの比較において違和感がなく、この点で操作性を改善することができる。
この場合、請求項2の『旋回トルクが小さくなる方向の制御』では、旋回操作量に応じた速度目標値を求め、この速度目標値に向けた速度制御を行うために旋回電動機にトルク指令を出す段階で、このトルク指令値に制限をかける処理が行われる。
これに対し、請求項3の『旋回加速度が小さくなる方向の制御』では、旋回操作量に応じた速度目標値を求め、この速度目標値に向けた速度制御のための速度指令値を求める段階で加速制限をかける処理が行われるが、後述するように最終的な加速パターンは同じとなり、いずれも加速の鈍化を伴う速度低下の結果を得ることができる。
本発明の実施形態を図1〜図6によって説明する。
図1〜図3に示す第1実施形態では、請求項2に対応する『旋回トルクが小さくなる方向の制御』を行い、図4〜図6に示す第2実施形態では請求項3に対応する『旋回加速度が小さくなる方向の制御』を行うように構成している。
第1実施形態
図1に第1実施形態にかかる旋回制御装置の全体構成を示す。
まず、駆動系を説明すると、エンジン11の動力が動力分配装置12を介して油圧ポンプ13と発電電動機14に加えられる。
油圧ポンプ13には油圧回路15が接続され、図7のブームシリンダ6及び他の油圧アクチュエータ(一括して符号16を付している)が油圧ポンプ13からの圧油によって駆動される。
発電電動機14からの電力は、発電電動機用及び旋回電動機用の両インバータ17,18を介して旋回電動機19に送られ、この旋回電動機19の回転力が減速機20を介して上部旋回体2に伝えられて同旋回体2が図7,8の縦軸Oまわりに旋回する。
両インバータ17,18間にはバッテリ21が設けられ、このバッテリ21が発電電動機14と組み合わされて旋回電動機19の電源として使用される。
22は旋回電動機19の回転速度を検出する旋回速度検手段としてのエンコーダで、このエンコーダ22で検出された旋回速度が制御手段としてのコントローラ23に入力される。
24は旋回操作手段としての旋回レバー(左、右の旋回に共用するものとして一つだけを示す)、25はブーム上げ操作手段としてのブーム上げレバーで、この両レバー24,25の操作量(旋回操作量、ブーム上げ操作量)が、ポテンショメータ等の信号変換器26,27を介して、旋回操作量検出手段とブーム上げ操作量検出手段とを兼ねる操作量検出手段28により検出され、コントローラ23に入力される。
なお、ブーム上げ操作手段としてリモコン弁を用い、その操作量をパイロット圧センサで電気信号に変換して操作量検出手段28に送るようにしてもよい。
コントローラ23は、基本的な構成要素として、旋回操作量から旋回速度の目標値を演算する旋回速度目標値演算手段29と、この旋回速度目標値に基づいて旋回速度の指令値を出力する旋回加減速制御手段30と、エンコーダ22からの旋回速度信号から旋回速度を割り出す旋回速度検出値演算手段31と、旋回速度フィードバック制御(PI制御)を行う旋回速度制御手段32と、電動機トルク制御手段33とを具備している。
これら基本的な構成要素による基本的な速度制御作用を図2を併用して説明する。
(i) 旋回速度目標値演算手段29において、旋回操作量信号から旋回速度の目標値を求める(図2の制御ステップS1)。
(ii) 旋回加減速制御手段30において、上記旋回速度の目標値に応じた旋回加減速制御のための旋回速度指令値を求め、この旋回速度指令値を旋回速度制御手段32に送る(同、制御ステップS2)。
(iii) 旋回速度制御手段32において、指令速度を実現するために必要な旋回トルクを求め、これを旋回トルク指令値として電動機トルク制御手段33に向けて出力する(同、制御ステップS3)。
(iv) 電動機トルク制御手段33において、上記旋回トルク指令値に応じた電流値を求め、これをインバータ18に向けて出力する(同、制御ステップS4)。
これにより、旋回電動機19が旋回操作量に応じた速度で回転し、図7,8の上部旋回体2が旋回する。
ここで、特許文献1に開示された技術を応用した場合、旋回/ブーム上げの複合操作時に、旋回の動きを全油圧ショベルのそれに近づける制御として、ブーム上げ操作量に応じて制御ステップS2での速度指令値を減らし、この減らされた速度指令に基づく速度フィードバック制御を行うものと考えられる。
これに対し第1実施形態においては、旋回/ブーム上げの複合操作時に、旋回の動きを油圧旋回のそれに近づけるための構成要素として、旋回トルク制限値設定手段34と、旋回トルク制限手段35とが設けられている。
旋回トルク制限値設定手段34では、操作量検出手段28からのブーム上げ操作量に基づき、図2中の制御ステップS5として、予め定めたブーム上げ操作量/トルク制限値の特性から旋回トルクの制限値を求め、これを旋回トルク制限手段35に送る。
旋回トルク制限手段35では、制御ステップS6として、この旋回トルク制限値に基づいて旋回速度制御手段32からの旋回トルク指令値に制限を加え、この制限された値を最終的な旋回トルク指令値として電動機トルク制御手段33に送る。
この結果、旋回/ブーム上げの複合操作時に、図3に示すように旋回トルクが制限されて旋回の加速が鈍り、ブーム上げ操作量が大きいほどこのトルク制限(加速の鈍化)がきつくなる。
これにより、ブーム上げ操作量に応じて加速が鈍りながら旋回速度が低下するという、油圧旋回にきわめて近い旋回特性が得られる。
第2実施形態
図4〜図6に示す第2実施形態において、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して示し、その重複説明を省略する。
第1実施形態との相違点のみを説明すると、図1と図4を比較して分かるように、第1実施形態の旋回トルク制限値設定手段34に代えて旋回加速制限値設定手段36が設けられている。
この旋回加速制限値設定手段36は、図2の制御ステップS5に代わる図5の制御ステップS5´として、ブーム上げ操作量に基づき、予め定めたブーム上げ操作量/加速制限値の特性から加速制限値を求め、これを旋回加減速制御手段30に送る。
この加速制限値を受けた旋回加減速制御手段30では、制御ステップSS2´として、旋回速度目標値演算手段29からの旋回速度目標値に加速制限を加えた旋回速度指令値を求め、これを旋回速度制御手段32に送る。
この結果、図6に示すようにブーム上げ操作量に応じて旋回の加速度が鈍化し、第1実施形態と同様に加速が鈍りながら旋回速度が低下するという、油圧旋回にきわめて近い旋回特性を得ることができる。
他の実施形態
(1) 上記両実施形態では、複合操作時に旋回速度が低下する油圧動作の代表的な例としてブーム上げ動作を挙げたが、本発明は、同様の現象が発生する他の油圧動作との組み合わせにおいても適用することができる。
(2) 上記両実施形態では、旋回電動機19を発電電動機14とバッテリ21で駆動し、油圧ポンプ13はエンジン11で駆動する所謂ハイブリッド式のショベルに適用した場合を例示したが、本発明は、外部電源またはバッテリで旋回電動機とポンプ用電動機を駆動し、このポンプ用電動機で油圧ポンプを駆動するショベルにも適用することができる。
(3) 本発明はショベルに限らず、ショベルを母体として構成される破砕機や解体機、溝掘り掘削機等の電動旋回式をとる作業機械に広く適用することができる。
本発明の第1実施形態にかかる制御装置の全体構成図である。 第1実施形態による制御内容を説明するための制御ブロック図である。 第1実施形態による制御結果としての旋回トルク及び旋回速度の時間に対する変化状況を示す図である。 本発明の第2実施形態にかかる制御装置の全体構成図である。 第2実施形態による制御内容を説明するための制御ブロック図である。 第2実施形態による制御結果としての旋回加速度及び旋回速度の時間に対する変化状況を示す図である。 ショベルの概略側面図である。 ショベルの概略正面図である。
符号の説明
2 上部旋回体
3 ブーム
6 油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ
13 油圧ポンプ
14 旋回電動機の電源としての発電電動機
15 油圧回路
19 旋回電動機
21 旋回電動機の電源としてのバッテリ
23 制御手段としてのコントローラ
24,25 操作手段としての旋回、ブーム上げレバー
26,27 信号変換器
28 操作量検出手段
29 コントローラの旋回速度目標値演算手段
30 同、旋回加減速制御手段
31 同、旋回速度検出値演算手段
32 同、旋回速度制御手段
33 同、電動機トルク制御手段
34 同、旋回トルク制限値設定手段
35 同、旋回トルク制限手段
36 同、旋回加速制限値設定手段

Claims (4)

  1. 旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、上記旋回電動機に対する旋回指令を出す旋回操作手段と、上記油圧アクチュエータに対する作動指令を出す油圧アクチュエータ操作手段と、上記旋回操作手段の操作量である旋回操作量を検出する旋回操作量検出手段と、上記油圧アクチュエータ操作手段の操作量である油圧アクチュエータ操作量を検出する油圧アクチュエータ操作量検出手段と、これら両操作量検出手段からの信号に基づいて上記旋回電動機を制御する制御手段とを具備し、この制御手段は、上記旋回電動機を、
    (A) 上記旋回操作量に応じた速度に制御し、
    (B) 旋回動作と、上記油圧アクチュエータによる油圧動作を同時に行わせる複合操作時に、上記油圧アクチュエータ操作量の増加に応じて旋回の加速が鈍化する方向にトルク制御する
    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. 制御手段は、複合操作時に、油圧アクチュエータ操作量の増加に応じて旋回トルクが小さくなる方向に旋回電動機をトルク制御するように構成されたことを特徴とする請求項1記載の作業機械の旋回制御装置。
  3. 制御手段は、複合操作時に、油圧アクチュエータ操作量に応じて旋回加速度が小さくなる方向に旋回電動機をトルク制御するように構成されたことを特徴とする請求項1記載の作業機械の旋回制御装置。
  4. 油圧アクチュエータとしてブームを上げ下げするブームシリンダ、油圧アクチュエータ操作手段としてブーム上げの指令を出すブーム上げ操作手段、油圧アクチュエータ操作量検出手段として上記ブーム上げ操作手段の操作量を検出するブーム上げ操作量検出手段をそれぞれ備え、制御手段は、旋回電動機を、上記ブーム上げ操作量の増加に応じて旋回の加速を鈍化させる方向にトルク制御するように構成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の作業機械の旋回制御装置。
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