JP2009127295A - 旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】電力消費効率の向上及び電動発電機やインバータの小型化を可能とする旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を提供することを課題とする。
【解決手段】建設機械の上部旋回体は旋回用電動機２１によって旋回駆動される。旋回駆動用電動発電機２１の駆動制御を行う旋回駆動制御装置４０は、駆動指令生成部５０及び主制御部６０を含む。駆動指令生成部５０のトルク制限部５３でトルク電流指令を制限するための許容値は、主制御部６０によって決定される。主制御部６０は、旋回用電動機２１の力行運転時に高回転速度で運転を行う場合（回転方向を問わず回転速度の絶対値が大きい領域で運転を行う場合）と、回生運転時に低回転速度で運転を行う場合（回転方向を問わず回転速度の絶対値が小さい領域で運転を行う場合）において旋回用電動機２１の消費電力を低減するように、トルク電流指令の許容値を演算する。
【選択図】図３

Description

本発明は、建設機械の旋回機構の駆動制御を行う旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械に関する。

従来より、上部旋回体を旋回させるための旋回機構の動力源として電動機を備える建設機械が提案されている。このような建設機械では、電動機の力行運転で旋回機構を加速（駆動）するとともに、旋回機構を減速（制動）する際に回生運転を行い、発電される電力をバッテリに充電している（例えば、特許文献１参照）。また、この特許文献１に記載された建設機械は、旋回機構以外の駆動機構を油圧で駆動するために油圧ポンプを備えるが、この油圧ポンプを駆動するためのエンジンに増速機を介して発電機を接続し、発電で得る電力をバッテリの充電と旋回機構の電動機の駆動に用いている。
特開平２００４−０３６３０３号公報

ところで、電動機を加速させる場合に、回転速度が低いときは、加速性を良くするために大きな駆動トルクが必要となるが、回転速度がある程度上昇すると、回転速度が低い場合よりも小さい駆動トルクで足りる。

また、電動機を減速させる場合に、回転速度が高いときは、減速性を良くするために大きな駆動トルク（回転方向とは逆方向の駆動トルク）が必要となるが、回転速度がある程度低下すると、回転速度が高い場合よりも小さい駆動トルクで足りる。

しかしながら、従来の建設機械では、旋回用の電動機の回転速度によらず、加減速時の駆動トルクを一定にしているため、回転速度がある程度上昇した状態において加速を行う場合に電力の消費効率が低下するという課題があった。また、回転速度がある程度低下した場合に、制動トルクが大きいため、スムーズに停止が困難で乗り心地が低下するという課題があった。

また、回転速度が高い状態においても、回転速度が低い場合と同一の駆動トルクを供給することになるため、電動機やインバータには高回転速度かつ高トルクの状態に対応できるだけの定格諸元が必要となり、電動機やインバータの大型化を招いていた。

そこで、本発明は、電力消費効率の向上及び電動機やインバータの小型化を可能とする旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を提供することを目的とする。

本発明の一局面の旋回駆動制御装置は、電動機で旋回駆動される建設機械の旋回機構を駆動制御する旋回駆動制御装置であって、建設機械の操作手段を介して入力される操作量に基づき、前記電動機を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成手段と、前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段とを含み、前記駆動指令生成手段は、前記回転速度検出手段で検出される回転速度に応じて前記駆動指令による前記電動機の出力を制限する出力制限手段であって、前記電動機の力行運転時は、回転速度が絶対値で最高速度よりも低い第１回転数以上となると、前記電動機の出力を最高出力の第１割合以下に制限し、前記電動機の回生運転時は、回転速度が絶対値で最高速度よりも低い第２回転数以下となると、前記電動機の出力を最高出力の第２割合以下に制限する、出力制限手段を有する。

また、前記出力制限手段は、前記電動機の駆動トルクを制限することによって出力を制限するように構成されており、前記電動機の力行運転時は、前記回転速度が絶対値で最高速度よりも低い第１回転数以上となると、前記電動機の駆動トルクが絶対値で最大トルクよりも低い第１トルク以下になるように出力を制限し、前記電動機の回生運転時は、前記回転速度が絶対値で最高速度よりも低い第２回転数以下となると、前記電動機の制動トルクが絶対値で最大トルクよりも低い第２トルク以下になるように出力を制限してもよい。

また、前記出力制限手段は、前記電動機の力行運転時において、回転速度が絶対値で前記第１回転数以上になると、前記電動機の出力を一定に制限してもよい。

本発明の一局面の建設機械は、前記いずれかに記載の旋回駆動制御装置を含む。

本発明によれば、電動機の出力制限を行うことにより、電力消費効率の向上及び電動機やインバータの小型化を可能とする旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を適用した実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械を示す側面図である。

この建設機械の下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。また、上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びバケット６と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に加えて、キャビン１０及び動力源が搭載される。

「全体構成」
図２は、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械の構成を表すブロック図である。この図２では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、ともに増力機としての減速機１３の入力軸に接続されている。また、この減速機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が接続されている。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、本実施の形態の建設機械における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ１７には、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、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る。

また、電動発電機１２には、インバータ１８を介してバッテリ１９が接続されており、また、バッテリ１９には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。

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。また、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が接続される。

操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、本実施の形態の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

このような本実施の形態の建設機械は、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド型の建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。

「各部の構成」
エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。このエンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ１８によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。

減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸の各々には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が力行運転を行い、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。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、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が回生運転による発電を行う。電動発電機１２の力行運転と回生運転の切り替えは、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。

メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生するポンプである。この油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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の各々を駆動するために供給される。

パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。

コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

インバータ１８は、電動発電機１２の力行運転に必要な電力をバッテリ１９から電動発電機１２に供給するとともに、電動発電機１２の回生運転によって発電された電力をバッテリ１９に充電するために電動発電機１２とバッテリ１９との間に設けられたインバータである。

バッテリ１９は、インバータ１８とインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２と旋回用電動機２１の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が回生運転を行っている際には、回生運転によって発生した回生電力を電気エネルギーとして蓄積するための電源である。

インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、インバータが旋回用電動機２１の力業を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から旋回用電動機２１に供給する。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力をバッテリ１９へ充電する。

旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が減速機２４にて増幅され、上部旋回体３が加減速制御され回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、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ことができる。ここでは、旋回用電動機２１として、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機２１にて発電される電力を増大させることができる。

なお、バッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（力行運転又は回生運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、コントローラ３０によって行われる。

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旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１Ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構２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、旋回用電動機２１の回転軸２１ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動（オン）／解除（オフ）が切り替えられる。

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２に機械的に伝達する減速機である。

旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、この状態において、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

操作装置２６は、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。

この操作装置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）を運転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。

レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

また、メカニカルブレーキ２３は、レバー２６Ａ、２６Ｂ、又はペダル２６Ｃのいずれかが操作されると、コントローラ３０によって解除されるように構成される。

なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び１Ｂ、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の駆動に必要な油圧をコントロールバルブに供給する。

圧力センサ２９では、レバー２６Ａの操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化が圧力センサ２９で検出される。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に入力される。

「コントローラ３０」
コントローラ３０は、本実施の形態の建設機械の駆動制御を行う制御装置であり、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、及び旋回駆動制御装置４０を含む。このコントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、及び旋回駆動制御装置４０は、コントローラ３０のＣＰＵが内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することによって実現される装置である。

速度指令変換部３１は、圧力センサ２９から入力される信号を速度指令に変換する演算処理部である。これにより、レバー２６Ａの操作量は、旋回用電動機２１を回転駆動させるための速度指令(rad/s)に変換される。この速度指令は、駆動制御装置３２及び旋回駆動制御装置４０に入力される。

駆動制御装置３２は、電動発電機１２の運転制御（力行運転又は回生運転の切り替え）、及び、バッテリ１９の充放電制御を行うための制御装置である。この駆動制御装置３２は、エンジン１１の負荷の状態とバッテリ１９の充電状態に応じて、電動発電機１２の力行運転と回生運転を切り替える。駆動制御装置３２は、電動発電機１２の力行運転と回生運転を切り替えることにより、インバータ１８を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

ここで、本実施の形態の建設機械の制御系では、旋回用電動機２１の回転軸２１ａが反時計回りに回転する回転方向を「正転」と称し、正転方向の駆動を表す制御量に正の符号を付す。一方、旋回用電動機２１の回転軸２１ａが時計回りに回転する回転方向を「逆転」と称し、逆転方向の駆動を表す制御量に負の符号を付す。正転は、上部旋回体３の右方向への旋回に対応し、逆転は、上部旋回体の左方向への旋回に対応する。

「旋回駆動制御装置４０」
図３は、本実施の形態の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。

旋回駆動制御装置４０は、インバータ２０を介して旋回用電動機２１の駆動制御を行うための制御装置であり、旋回用電動機２１を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成部５０、及び主制御部６０を含む。

駆動指令生成部５０には、レバー２６Ａの操作量に応じて速度指令変換部３１から出力される速度指令が入力され、この駆動指令生成部５０は速度指令に基づき駆動指令を生成する。駆動指令生成部５０から出力される駆動指令はインバータ２０に入力され、このインバータ２０によって旋回用電動機２１がＰＷＭ制御信号により交流駆動される。

主制御部６０は、駆動指令生成部５０の制御処理に必要な周辺処理を行う制御部である。具体的な処理内容については、関連箇所においてその都度説明する。

なお、旋回駆動制御装置４０は、操作レバー２６Ａの操作量に応じて、旋回用電動機２１を駆動制御する際に、力行運転と回生運転の切り替え制御を行うと共に、インバータ２０を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

「駆動指令生成部５０」
駆動指令生成部５０は、減算器５１、ＰＩ(Proportional Integral)制御部５２、トルク制限部５３、トルク制限部５４、減算器５５、ＰＩ制御部５６、電流変換部５７、及び旋回動作検出部５８を含む。この駆動指令生成部５０の減算器５１には、レバー２６Ａの操作量に応じた旋回駆動用の速度指令(rad/s)が入力される。

減算器５１は、レバー２６Ａの操作量に応じた速度指令の値（以下、速度指令値）から、旋回動作検出部５８によって検出される旋回用電動機２１の回転速度(rad/s)を減算して偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５２において、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５２は、減算器５１から入力される偏差に基づき、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるように（すなわち、この偏差を小さくするように）ＰＩ制御を行い、そのために必要なトルク電流指令を演算する。生成されたトルク電流指令は、トルク制限部５３に入力される。

トルク制限部５３は、レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令の値（以下、トルク電流指令値）を制限する処理を行う。この制限処理は、レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令値の許容値が緩やかに増大する制限特性に基づいて行われる。このようなトルク電流指令値の制限は、ＰＩ制御部５２によって演算されるトルク電流指令値が急激に増大すると制御性が悪化するため、これを抑制するために行われる。

この制限特性は、レバー２６Ａの操作量の増大に伴ってトルク電流指令値の許容値（の絶対値）を緩やかに増大させる特性を有し、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向を制限するための特性を有するものである。制限特性を表すデータは、主制御部６０の内部メモリに格納されており、主制御部６０のＣＰＵによって読み出され、トルク制限部５３に入力される。

トルク制限部５４は、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令によって生じるトルクが旋回用電動機２１の最大許容トルク値以下となるように、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令値を制限する。このトルク電流指令値の制限は、トルク制限部５３と同様に、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向の回転に対して行われる。

なお、トルク制限部５４においてトルク電流指令値を制限するための上限値（右旋回用の最大値）及び下限値（左旋回用の最小値）は、このトルク制限部５４によってトルク電流指令値の制限が行われても、建設機械が作業を行うために十分な駆動トルクを発生できるような値に設定されている。

減算器５５は、トルク制限部５４から入力されるトルク電流指令値から、電流変換部５７の出力値を減算して得る偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５６及び電流変換部５７を含むフィードバックループにおいて、電流変換部５７から出力される旋回用電動機２１の駆動トルクを、トルク制限部５４を介して入力されるトルク電流指令値（目標値）によって表されるトルクに近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５６は、減算器５５から入力される偏差に基づき、この偏差を小さくするようにＰＩ制御を行い、インバータ２０に送る最終的な駆動指令となるトルク電流指令を生成する。インバータ２０は、ＰＩ制御部５６から入力されるトルク電流指令に基づき、旋回用電動機２１をＰＷＭ駆動する。

電流変換部５７は、旋回用電動機２１のモータ電流を検出し、これをトルク電流指令に相当する値に変換し、減算器５５に入力する。

旋回動作検出部５８は、レゾルバ２２によって検出される旋回用電動機２１の回転位置の変化（すなわち上部旋回体３の旋回）を検出するとともに、回転位置の時間的な変化から旋回用電動機２１の回転速度を微分演算によって導出する。導出された回転速度を表すデータは、減算器５１及び主制御部６０に入力される。

このような構成の駆動指令生成部５０において、速度指令変換部３１から入力される速度指令に基づき、旋回用電動機２１を駆動するためのトルク電流指令が生成され、上部旋回体３が所望の位置まで旋回される。

本実施の形態の旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械では、以下で詳細に説明する主制御部６０で演算されるトルク電流指令の許容値がトルク制限部５３に伝達され、トルク電流指令が制限される。

図４は、本実施の形態の旋回駆動制御装置のトルク制限部５４で用いるトルク制限特性を示す図である。このトルク制限特性は、旋回用電動機２１の回転速度に応じて駆動トルクを制限するためのトルク電流指令の許容値を主制御部６０が演算するために用いる特性である。このトルク制限特性を表すデータは、主制御部６０の内部メモリに格納されている。主制御部６０は、図４に示すトルク制限特性を用いて、回転速度に基づいてトルク電流指令の許容値を演算し、これをトルク制限部５４に入力することにより、力行運転時及び回生運転時における旋回用電動機２１の出力が許容値以下に制限される。

なお、旋回用電動機２１は、回生運転時には発電を行うことにより制動トルクを発生し、駆動トルクを発生する力行運転時とはエネルギーの収支が逆になるが、本実施の形態では、回生運転時の回転速度と制動トルクの積分値を出力として取り扱う。回生運転時の出力の宣言は、出力を絶対値で旋回用電動機２１の最高出力の所定度合以下に制限することによって行う。

図４に示すように、トルク制限特性は、回転速度(rad/s)を横軸、トルク(Nm)を縦軸とする座標で表される。この座標では、横軸は原点より右側を正、左側を負とし、縦軸は原点より上側を正、下側を負とする。横軸の正の値は正転方向の回転速度(rad/s)を表し、負の値は逆転方向の回転速度を表す。縦軸の正の値は、正転方向の駆動トルク(Nm)を表し、負の値は逆転方向の駆動トルク(Nm)を表す。

このような座標系を有するトルク制限特性において、第１象限にある領域Ａは、右旋回（正転）時の加速（力行）運転を表し、第２象限の領域Ｂは、左旋回（逆転）時の減速（回生）運転を表す。また、第３象限の領域Ｃは、左旋回（逆転）時の加速（力行）運転を表し、第４象限の領域Ｄは、右旋回（正転）時の減速（回生）運転を表す。

ここで、回転速度ω１は、旋回用電動機２１の正転方向の最高回転速度を表し、ω２＝０．６・ω１、ω３＝０．４・ω１である。これは、逆転方向の"−ω１"、"−ω２"及び"−ω３"の関係においても同様である。

また、トルクＴ１は、旋回用電動機２１の正転方向の最大トルクを表し、Ｔ２＝０．６・Ｔ１である。これは、逆転方向の"−Ｔ１"及び"−Ｔ２"の関係においても同様である。

なお、図４では、縦軸をトルク(Nm)で示すが、主制御部６０は、図４のトルク制限特性で制限されるトルク(Nm)をトルク電流指令の許容値に換算してトルク制限部５４に入力する。

領域Ａは、第１象限内において、回転速度がω１以下、かつ、トルクがＴ１以下であって、点（ω２，Ｔ１）と点（ω１，Ｔ２）を結ぶ定出力曲線ａよりも原点側に存在する領域である。上述のように、ω２＝０．６・ω１、Ｔ２＝０．６・Ｔ１であるため、この定出力曲線ａは、旋回用電動機２１が正転方向の力行運転（右旋回加速運転）を行う場合の高回転速度領域における出力を最大出力の６０％以下に制限するための特性となる。定出力曲線ａよりもトルクが高い領域を除外してあるのは、右旋回加速をする場合において、回転速度がある程度上昇したときは、回転速度が低い場合ほど大きなトルクは必要ないため、トルクの大きさを制限することにより、旋回用電動機２１の消費電力を低減するためである。

領域Ｂは、第２象限内において、回転速度が−ω１以上、かつ、トルクがＴ１以下であって、点（−ω３，Ｔ１）と点（０，Ｔ２）を結ぶ曲線ｂよりもトルクの値が高い領域を除いた領域である。上述のように、−ω３＝０．４・（−ω１）であり、この曲線ｂは、旋回用電動機２１が逆転方向の回生運転（左旋回減速運転）を行う場合の低回転速度領域（回転速度の絶対値が小さい領域）における出力を制限するための特性である。曲線ｂよりもトルクが高い領域を除外してあるのは、左旋回時に減速をする場合において、逆転方向の回転速度がある程度低下したときは、逆転方向の回転速度が高い場合ほど大きなトルクは必要ないため、制動トルクの大きさを制限することにより、スムーズな停止を可能とし、乗り心地を改善するためである。

領域Ｃは、第３象限内において、回転速度が−ω１以上、かつ、トルクが−Ｔ１以上であって、点（−ω２，−Ｔ１）と点（−ω１，−Ｔ２）を結ぶ定出力曲線ｃよりも原点側に存在する領域である。この定出力曲線ｃは、定出力曲線ａと同様に、旋回用電動機２１が逆転方向の力行運転（左旋回加速運転）を行う場合の高回転速度領域（回転速度の絶対値が大きい領域）における出力を最大出力の６０％以下に制限する特性となる。定出力曲線ｃよりもトルクが逆転方向に大きい領域を除外してあるのは、左旋回加速をする場合において、逆転方向の回転速度がある程度上昇したときは、逆転方向の回転速度が低い場合ほど大きなトルクは必要ないため、トルクの大きさを制限することにより、旋回用電動機２１の消費電力を低減するためである。

領域Ｄは、第４象限内において、回転速度がω１以下、かつ、トルクが−Ｔ１以上であって、点（ω３，−Ｔ１）と点（０，−Ｔ２）を結ぶ曲線ｄよりもトルクの値が低い領域を除いた領域である。上述のように、ω３＝０．４・ω１であり、この曲線ｄは、旋回用電動機２１が正転方向の回生運転（右旋回減速運転）を行う場合の低回転速度領域における出力を制限する特性である。曲線ｄよりも逆転方向のトルクが大きい領域を除外してあるのは、右旋回時に減速をする場合において、回転速度がある程度低下したときは、回転速度が高い場合ほど大きなトルクは必要ないため、制動トルクの大きさを制限することにより、スムーズな停止を可能とし、乗り心地を改善するためである。

ところで、従来の建設機械では、旋回用の電動発電機の回転速度によらず、加減速時の駆動トルクを一定にしているため、図４対応する特性は、定出力曲線ａ及びｃと曲線ｂ及びｄが存在せず、回転速度が−ω１〜ω１、かつ、トルクが−Ｔ１〜Ｔ１で定まる四角形で表される領域を有する。このため、力行運転を行う場合の高回転速度領域（回転速度の絶対値が大きい領域）においても高トルクを出力し、また、回生運転を行う場合の低回転速度領域（回転速度の絶対値が小さい領域）においても高トルクを出力していた。

これに対して、本実施の形態の旋回駆動制御装置で図４に示すトルク制限特性を用いてトルク電流指令を制限することにより、次のように消費電力を低減することができる。

「旋回動作」
駆動指令生成部５０で駆動指令が生成されて旋回用電動機２１が駆動され、旋回動作検出部５８によって検出される回転速度が主制御部６０に入力されると、主制御部６０は、図４に示すトルク制限特性を用いて、回転速度に応じたトルク電流指令の許容値を演算し、これをトルク制限部５４に入力する。

トルク制限部５４は、ＰＩ制御部５２から入力されるトルク電流指令値が許容値よりも高い場合は、ＰＩ制御部５２から入力されるトルク電流指令値を許容値に制限してトルク制限部５４に入力する。制限されたトルク電流指令値は、トルク制限部５４に入力される。これにより、回転速度に応じた旋回用電動機２１の駆動トルクの制限が実現される。

一方、ＰＩ制御部５２から入力されるトルク電流指令値が許容値以下である場合は、トルク制限部５４は、ＰＩ制御部５２から入力されるトルク電流指令値をそのままトルク制限部５４に入力する。

トルク制限部５４は、トルク制限部５４から入力されるトルク電流指令値が旋回用電動機２１の最大許容トルクを表すトルク電流指令値を超えている場合は、トルク制限部５４から入力されるトルク電流指令値を旋回用電動機２１の最大許容トルクを表すトルク電流指令値以下に制限し、制限されたトルク電流指令値が減算器５５に入力される。なお、トルク制限部５４から入力されるトルク電流指令値が旋回用電動機２１の最大許容トルクを表すトルク電流指令値を超えていない場合は、トルク制限部５４は、トルク制限部５４から入力されるトルク電流指令値をそのまま減算器５５に入力する。

減算器５５では、トルク制限部５４から入力されるトルク電流指令値と電流変換部から入力されるトルク電流指令値の偏差が演算される。演算された偏差は、ＰＩ制御部５６に入力され、このＰＩ制御部５６では、トルク制限部５４から出力されるトルク電流指令値を目標値とするＰＩ制御が行われ、この偏差を小さくするためのトルク電流指令値が最終的な駆動指令として演算される。この最終的な駆動指令により、旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して駆動制御される。

このように、本実施の形態の旋回駆動制御装置を用いた建設機械では、旋回用電動機２１を駆動するためのトルク電流指令値を演算する過程において、図４に示すトルク制限特性を用いてトルク電流指令値を制限する。このため、以下のように消費電力が低減される。

正転方向の力行運転（右旋回加速運転）を行っている場合に、回転速度とトルクの積分値で与えられる出力が最大出力の６０％を超えると、そのときの回転速度に応じたトルク電流指令の許容値が定出力曲線ａを用いて主制御部６０によって演算され、トルク電流指令値が制限される。これにより、旋回用電動機２１の出力が最大出力の６０％以下になるように駆動制御が行われ、従来の建設機械よりも、消費電力の低減を図ることができる。

同様に、逆転方向の力行運転（左旋回加速運転）を行っている場合に、回転速度とトルクの積分値で与えられる出力が最大出力の６０％を超えると、そのときの回転速度に応じたトルク電流指令の許容値が定出力曲線ｃを用いて主制御部６０によって演算され、トルク電流指令値が制限される。これにより、旋回用電動機２１の出力が最大出力の６０％以下になるように駆動制御が行われ、従来の建設機械よりも、消費電力の低減を図ることができる。

また、逆転方向の回生運転（左旋回減速運転）を行っている場合に、逆転方向の回転速度が−ω３以上になると（回転速度の絶対値がω３以下の低回転速度領域になると）、そのときの回転速度に応じたトルク電流指令の許容値が曲線ｂを用いて主制御部６０によって演算され、トルク電流指令値が制限される。これにより、左旋回減速時においてスムーズに停止することができ、乗り心地も改善される。

同様に、正転方向の回生運転（右旋回減速運転）を行っている場合に、正転方向の回転速度がω３以下の低回転速度領域になると、そのときの回転速度に応じたトルク電流指令の許容値が曲線ｄを用いて主制御部６０によって演算され、トルク電流指令値が制限される。これにより、右旋回減速時における消費電力を従来の建設機械よりも低減することができる。

また、本実施の形態の旋回駆動制御装置を用いた建設機械では、上述のように消費電力の低減を図ることができるため、従来の建設機械よりも旋回用電動機２１やインバータ２０の容量を小型化することができる。これにより、従来よりも低コストで建設機械を提供することができる。

以上では、正転方向と逆転方向における回転速度の絶対値が大きい領域においてトルク電流指令値を制限するために定出力曲線ａ及びｃを用いたが、回転速度の絶対値が大きい領域においてトルク電流指令値を制限できるのであれば、定出力曲線以外の特性であってもよい。

また、正転方向と逆転方向における回転速度の絶対値が小さい領域においてトルク電流指令値を制限するために曲線ｂ及びｄを用いたが、回転速度の絶対値が小さい領域においてトルク電流指令値を制限できるのであれば、曲線ｂ及びｄ以外の特性であってもよい。

以上では、旋回用電動機２１がインバータ２０によってＰＷＭ駆動される交流モータであり、その回転速度を検出するために、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５８を用いる形態について説明したが、旋回用電動機２１は直流モータであってもよい。この場合は、インバータ２０、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５８が不要となり、回転速度としては直流モータのタコジェネレータで検出される値を用いればよい。

また、以上では、トルク電流指令の演算にＰＩ制御を用いる形態について説明したが、これに代えて、ロバスト制御、適応制御、比例制御、積分制御等を用いてもよい。

また、以上では、ハイブリッド型の建設機械を用いて説明したが、旋回機構が電動化されている建設機械であれば、本実施の形態の旋回駆動装置の適用対象は、バイブリッド型に限定されるものではない。

以上、本発明の例示的な実施の形態の旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械を示す側面図である。 本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械の構成を表すブロック図である。 本実施の形態の旋回駆動制御装置の構成を表す制御ブロック図である。 本実施の形態の旋回駆動制御装置のトルク制限部５３で用いるトルク制限特性を示す図である。

符号の説明

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 走行機構
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
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 インバータ
１９ バッテリ
２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
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
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
３１ 速度指令変換部
３２ 駆動制御装置
４０ 旋回駆動制御装置
５０ 駆動指令生成部
５１ 減算器
５２ ＰＩ制御部
５３ トルク制限部
５４ トルク制限部
５５ 減算器
５６ ＰＩ制御部
５７ 電流変換部
５８ 旋回動作検出部
６０ 主制御部

Claims (4)

1. 電動機で旋回駆動される建設機械の旋回機構を駆動制御する旋回駆動制御装置であって、
   建設機械の操作手段を介して入力される操作量に基づき、前記電動機を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成手段と、
   前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段と
   を含み、
   前記駆動指令生成手段は、前記回転速度検出手段で検出される回転速度に応じて前記駆動指令による前記電動機の出力を制限する出力制限手段であって、前記電動機の力行運転時は、回転速度が絶対値で最高速度よりも低い第１回転数以上となると、前記電動機の出力を最高出力の第１割合以下に制限し、前記電動機の回生運転時は、回転速度が絶対値で最高速度よりも低い第２回転数以下となると、前記電動機の出力を最高出力の第２割合以下に制限する、出力制限手段を有する、旋回駆動制御装置。
2. 前記出力制限手段は、前記電動機の駆動トルクを制限することによって出力を制限するように構成されており、
   前記電動機の力行運転時は、前記回転速度が絶対値で最高速度よりも低い第１回転数以上となると、前記電動機の駆動トルクが絶対値で最大トルクよりも低い第１トルク以下になるように出力を制限し、前記電動機の回生運転時は、前記回転速度が絶対値で最高速度よりも低い第２回転数以下となると、前記電動機の制動トルクが絶対値で最大トルクよりも低い第２トルク以下になるように出力を制限する、請求項１に記載の旋回駆動制御手段。
3. 前記出力制限手段は、前記電動機の力行運転時において、回転速度が絶対値で前記第１回転数以上になると、前記電動機の出力を一定に制限する、請求項１又は２に記載の旋回駆動制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置を含む建設機械。

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