JP2009068197A - 電動旋回式作業機械の旋回制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回加速度をオペレータの意思で、オペレータの望むタイミングと大きさで設定し変更できるようにする。
【解決手段】旋回電動機１９によって旋回体２を旋回させる電動旋回式作業機械において、調整ボリューム３４の操作によって旋回加速度を設定する旋回加速度設定手段３５をコントローラ２３に設け、旋回時に、設定された旋回加速度を旋回加減速制御手段３０に入力し、レバー操作量によって決まる目標旋回速度と実速度の偏差に基づくフィードバック速度制御を、設定された旋回加速度をもって行うようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機を駆動源として旋回体を旋回させる電動旋回式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６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、特許文献１、２に示されているように旋回駆動源として電動機を用いたもの（電動旋回式ショベル）が公知である。

これら公知技術では、旋回操作レバーの操作量に応じて目標旋回速度を設定し、検出される実速度とこの目標速度との偏差を解消するように電動機の速度をフィードバック制御する構成をとっている。
ＷＯ ２００６／００４０８０ Ａ１ ＷＯ ２００６／０５４５８１ Ａ１

ショベルの代表的な作業として、掘削地点でバケットにすくった土砂をダンプ地点まで旋回搬送してダンプし、掘削地点に戻るという動作を繰り返す荷積み作業がある。

この荷積み作業において、たとえば作業効率は悪くなっても荷こぼれを避けながらゆっくりと両地点間で旋回するのが望ましい場合と、作業効率優先で速く旋回するのが望ましい場合とがある。前者の場合には旋回の加速度を小さくし、後者では大きくする必要がある。

一方、ショベルでの吊り作業時にも同様の事情があるし、オペレータの好みもある。

つまり、旋回の加速度を作業内容等に応じて、オペレータの意思により、オペレータが望むタイミングで、そして任意の大きさに変えたいという要請があった。

この点に関連する技術として、特許文献１には、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油圧駆動のショベルに慣れたオペレータにとって操作に違和感があるという課題の解決策として、エンジン回転数に応じて旋回速度を変える制御を行っている。

しかし、この技術は、「旋回速度」を変えるものであって、目標速度に達するまでの時間を変えること、すなわち旋回の加速度を変えるものではないため、基本的に上記要請には応えられない。

なお、「旋回速度」を変える制御を行うことで「旋回加速度」も変化するが、この加速度をオペレータが望むタイミング、大きさで変えることはできない。このため、たとえば上記のように旋回体を二地点間で旋回させる荷積み作業時に、加速度が旋回距離の割に過小となってダラダラと動作するゆえにオーバーランしたり、逆に加速度が過大であるとキビキビと動作するゆえに距離不足となり、あるいは急激に停止してショックを発生したりする。これをレバーの微操作で調整しなければならないことでかえって操作性、作業効率が悪くなる。

また、特許文献２には、急旋回操作時のショックを抑えるために、電動機トルクの立ち上がりのピーク値（ジャークピーク値）を規制する手段として、出力トルクの勾配をゆるやかにする技術が開示されている。

この技術によると、ジャークピーク値を抑えることで結果的に旋回の加速度が変わるが、この加速度はオペレータの意思、及びオペレータが望むタイミングとは無関係に、急操作時のみに、その操作量に応じて働くもの、つまりオペレータによってコントロールできないため、やはり上記要請には応えられない。

そこで本発明は、旋回加速度を、オペレータの意思で、オペレータの望むタイミングと大きさで設定し変更することができる電動旋回式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電動機と、旋回指令を出す旋回操作手段と、上記電動機の回転速度を上記旋回操作手段の操作量に応じた目標速度に制御する旋回制御部とを備え、この旋回制御部は、オペレータによって操作される旋回加速度設定手段を有し、この旋回加速度設定手段によって設定された加速度をもって電動機を上記目標速度に向けて速度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、旋回制御部は、
（ｉ） 旋回操作手段の操作量に応じた目標速度を設定する手段と、
（ｉｉ） 上記設定された目標速度を旋回加速度設定手段によって設定された加速度をもって実現するための速度指令値を出力する手段と、
（ｉｉｉ） 上記速度指令値と実速度との偏差を解消するフィードバック速度制御のための旋回トルク指令値を出力する手段と、
（ｉｖ） 上記旋回トルク指令値に基づいて電動機のトルクを制御する手段と
を具備するものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、旋回加速度設定手段は、調整ボリュームによって旋回加速度を無段連続的に設定し得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または２の構成において、旋回加速度設定手段は、切換スイッチによって旋回加速度を予め設定された複数通りのうちから選択し得るように構成されたものである。

請求項５の発明は、請求項４の構成において、切換スイッチが、旋回操作手段としての旋回操作レバーに設けられたものである。

本発明によると、旋回加速度設定手段を設け、これによって旋回加速度をオペレータの意思で、オペレータが望むタイミングと大きさで設定し変更することができる。このため、たとえば荷積み作業時に、二地点間の距離とオペレータが望む旋回所要時間、オペレータの好み等に応じて最適の加速度をもって旋回させることができる。

この場合、請求項２の発明では、旋回操作手段の操作量によって決まる目標速度と、オペレータによって設定された加速度とに基づいて電動機が速度フィードバック制御されることによって目的が達成される。

また、請求項３の発明によると、調整ボリュームによって旋回加速度を無段連続的に設定・変更できるため、加速度の大きさの点でオペレータの意思をより正確に反映させることができる。

一方、請求項４、５の発明によると、切換スイッチにより、旋回加速度を予め設定された複数通りのうちから選択する（スイッチ操作）のみでよいため、加速度の設定、変更を簡単かつ速やかに行うことができる。

とくに請求項５の発明によると、旋回操作手段としての旋回操作レバーを操作する手で加速度を設定、変更できるため、オペレータが望むタイミングの点でオペレータの意思を正確に反映させることができるとともに、加速度の設定、変更をより簡単かつスピーディに行うことができる。

本発明の実施形態を図１〜図５によって説明する。

実施形態では、所謂ハイブリッド式の作業機械（ショベルの場合で説明する）を適用対象として例にとっている。

第１実施形態（図１〜図４参照）
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６のブームシリンダ６その他の油圧アクチュエータ（総括符号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６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（実速度）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旋回制御部としてのコントローラ２３に入力される。

２４,２５は旋回操作手段としての左右の旋回操作レバーで、この両レバー２４,２５の操作量（旋回操作量）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。

コントローラ２３は、基本的な構成要素として、旋回操作量から目標旋回速度を演算する目標旋回速度演算手段２９と、この目標旋回速度に基づいて旋回速度の指令値を演算し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求める旋回速度演算手段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（電流）を制御する電動機トルク制御手段３３とを具備している。

まず、これら基本的な構成要素による基本的な作用を、図２の制御ブロック図を併用して説明する。

（ｉ） 目標旋回速度演算手段２９において、旋回操作量信号から目標旋回速度を求める（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、上記目標旋回速度に基づいて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６の上部旋回体２が旋回する。

第１実施形態では、上記基本構成要素に加えて、旋回加速度をオペレータの意思で、オペレータが望むタイミングと大きさで設定するための構成要素として、オペレータによる調整ボリューム３４の操作によって旋回加速度を設定する旋回加速度設定手段３５が設けられている。

旋回加速度設定手段３５では、調整ボリューム３４からのボリューム操作量信号に基づき、図２中の制御ステップＳ５として、予め定めたボリューム操作量／加速度の特性（制御ステップＳ５中に示す）から旋回加速度を求め、これを旋回加減速制御手段３０に送る。

旋回加減速制御手段３０では、図２の制御ステップＳ２として、目標旋回速度と、この設定された旋回加速度の二つのパラメータから、設定加速度をもって目標旋回速度を実現するための速度指令値を求め、これを旋回速度制御手段３２に指令する。

以上の制御の手順を図３のフローチャートでまとめて説明すると、ステップＳ１１で調整ボリューム３４の操作に基づく旋回加速度の設定が行われた後、ステップＳ１２でレバー操作量の検出、ステップＳ１３で目標旋回速度の演算がそれぞれ行われる。そして、ステップＳ１４で旋回加減速制御、ステップＳ１５で実速度演算、ステップＳ１６で旋回速度制御が行われ、ステップＳ１７の電動機トルク制御により、旋回電動機１９が、オペレータが設定した加速度で目標旋回速度に到達し回転する。

図４は、図２中のボリューム操作量ａ、ｂ、ｃのときの加速度Ａ、Ｂ、Ｃを例示しているが、調整ボリューム３４の操作範囲で無段連続的な加速度の設定が可能である。

また、調整ボリューム３４が再度操作されて加速度の設定変更が行われると、次の旋回制御時にこの変更された加速度による速度制御が行われる。

このように、旋回加速度をオペレータの意思で、オペレータが望むタイミングと大きさで設定し変更することができるため、たとえば荷積み作業時に、二地点間の距離とオペレータが望む旋回所要時間、オペレータの好み等に応じて最適の加速度をもって旋回させることができる。

この場合、調整ボリューム３４によって旋回加速度を無段連続的に設定・変更できるため、オペレータが望む大きさの加速度を正確に得ることができる。

なお、調整ボリューム３４は、運転室内におけるオペレータが操作し易い位置、たとえば計器類や他のスイッチ類が設けられた操作パネルに設けられる。また、調整ボリューム３４は、図示のようなダイヤル式に回転操作されるものに限らず、スライド操作されるものを用いてもよい。

第２実施形態（図５参照）
第１実施形態との相違点のみを説明する。

第２実施形態においては、第１実施形態の調整ボリューム３４に代えて、オペレータによって操作される切換スイッチ３６が旋回操作レバー２４,２５に設けられ、制御ステップＳ５において、旋回加速度を予め設定された複数通り（図例ではＩ、ＩＩ、ＩＩＩの三通り）のうちからオペレータが任意に選択できるように構成されている。

こうすれば、旋回操作レバー２４,２５を操作する手で加速度を設定、変更できるため、この加速度の設定・変更を、オペレータが望むタイミングで素早く行うことができる。

なお、左右の旋回時に、旋回操作レバー２４または２５を握ったその手で切換スイッチ３６を操作できるように両レバー２４,２５に切換スイッチ３６を設けるのが望ましいが、両レバー２４,２５の一方のみに切換スイッチ３６を設けてもよい。また、同スイッチ３６を、第１実施形態の調整ボリューム３４と同様に運転室内の操作パネルに設けてもよい。

さらに、同スイッチ３６は、図示のようにダイヤル式に回転操作されるものに限らず、押しボタン式（一つのボタンを押す回数によって切換える構成のものや、複数のボタンを択一的に押す構成のもの）を用いてもよい。

他の実施形態
（１） 上記両実施形態では、図１に示すように旋回電動機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。

（２） 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実施形態にかかる旋回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。 同フローチャートである。 制御結果としての旋回速度特性を示す図である。 本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図である。 ショベルの概略側面図である。

符号の説明

２ 上部旋回体
１９ 旋回電動機
２３ 旋回制御部としてのコントローラ
２４,２５ 旋回操作手段としての左右の旋回操作レバー
２８ レバー操作検出手段
２９ 目標旋回速度演算手段
３０ 旋回加減速制御手段
３１ 旋回速度演算手段
３２ 旋回速度制御手段
３３ 電動機トルク制御手段
３４ 調整ボリューム
３５ 旋回加速度設定手段
３６ 切換スイッチ

Claims (5)

1. 旋回体を旋回駆動する電動機と、旋回指令を出す旋回操作手段と、上記電動機の回転速度を上記旋回操作手段の操作量に応じた目標速度に制御する旋回制御部とを備え、この旋回制御部は、オペレータによって操作される旋回加速度設定手段を有し、この旋回加速度設定手段によって設定された加速度をもって電動機を上記目標速度に向けて速度制御するように構成されたことを特徴とする電動旋回式作業機械の旋回制御装置。
2. 旋回制御部は、
   （ｉ） 旋回操作手段の操作量に応じた目標速度を設定する手段と、
   （ｉｉ） 上記設定された目標速度を旋回加速度設定手段によって設定された加速度をもって実現するための速度指令値を出力する手段と、
   （ｉｉｉ） 上記速度指令値と実速度との偏差を解消するフィードバック速度制御のための旋回トルク指令値を出力する手段と、
   （ｉｖ） 上記旋回トルク指令値に基づいて電動機のトルクを制御する手段と
   を具備することを特徴とする請求項１記載の電動旋回式作業機械の旋回制御装置。
3. 旋回加速度設定手段は、調整ボリュームによって旋回加速度を無段連続的に設定し得るように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の電動旋回式作業機械の旋回制御装置。
4. 旋回加速度設定手段は、切換スイッチによって旋回加速度を予め設定された複数通りのうちから選択し得るように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の電動旋回式作業機械の旋回制御装置。
5. 切換スイッチが、旋回操作手段としての旋回操作レバーに設けられたことを特徴とする請求項４記載の電動旋回式作業機械の旋回制御装置。

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