JP2009155989A - 旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】作業状況に応じて制動力を調節でき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。旋回用電動機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。トルク制限部５３は、主制御部６０から入力される制限特性とレバー２６Ａの操作方向に基づき、ＰＩ制御部５２から入力されるトルク電流指令の値を制限する。ＰＩ制御部５２からトルク制限部５３に入力されるトルク電流指令の値は、発生するトルクの値に換算すると、３００％程度の値を有するように設定される。このため、トルク制限部５３に入力されるトルク電流指令の値は、図５の制限特性で表される許容値に制限される。
【選択図】図５

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、建設機械の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、この電動機の力行運転で旋回機構を加速するとともに、旋回機構を減速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する建設機械が提案されている。

このような建設機械は、上部旋回体にブーム、アーム、及びバケット等の作業要素を搭載し、旋回操作に応じて生成される駆動指令で電動機を駆動することにより、上部旋回体の旋回駆動を制御している（例えば、特許文献１）。
特開平２００５−２９９１０２号公報

ところで、建設機械の作業中には上部旋回体の旋回駆動は頻繁に行われ、加速と減速（制動）が繰り返し行われる。

このような加速と減速（制動）のうち、特に減速（制動）の際には、緩やかな制動による乗り心地の良さの確保よりも、素早く確実に制動し、上部旋回体を停止させたい場合があった。

しかしながら、旋回駆動の制動時に電動機に発生させる制動トルクは、旋回操作の度合いに関係なく一定値に設定されているため、作業状況に応じて制動力を調節することができなかった。

そこで、本発明は、作業状況に応じて制動力を調節でき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、前記電動機の操作装置に入力される操作量と旋回操作方向を検出する操作検出手段と、前記電動機の回転方向を検出する回転方向検出手段と、前記操作検出手段によって検出される操作量と旋回操作方向に基づき、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を含み、前記駆動指令生成手段は、前記操作検出手段によって検出される旋回操作方向と、前記回転方向検出手段によって検出される回転方向とが異なる場合は、前記操作検出手段によって検出される操作量に応じて前記電動機を制動させるための駆動指令の値を絶対値で増大させる。

また、前記駆動指令生成手段は、前記駆動指令によって前記電動機で発生する駆動トルクが許容値以下になるように前記駆動指令の値を制限する制限手段を有し、前記制限手段は、前記操作検出手段によって検出される旋回操作方向と、前記回転方向検出手段によって検出される回転方向が異なる場合は、前記操作検出手段によって検出される操作量に応じて前記電動機を制動させるための制動トルク許容値を増大させることにより、前記電動機を制動させるための駆動指令の値を絶対値で増大させてもよい。

また、前記制限手段は、前記制動トルク許容値を前記電動機の連続定格トルクを表す駆動指令値よりも大きく、かつ、短時間定格トルクを表す駆動指令値以下の値にまで増大させてもよい。

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、作業状況に応じて制動力を調節でき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、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２０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／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３０によって行われる。

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、これにより、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。

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を検出する操作方向検出手段である。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、レバー２６Ａの操作方向（右旋回又は左旋回）と操作量を表す信号であり、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り、
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。なお、この速度指令変換部３１で用いる変換特性については、図３を用いて説明する。

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。

「操作量／速度指令の変換特性」
図３は、本実施の形態の建設機械の速度指令変換部３１において操作レバー２６Ａの操作量を速度指令（上部旋回体３を旋回させるために旋回用電動機２１を回転させるための速度指令）に変換する変換特性を示す図である。この変換特性は、操作レバー２６Ａの操作量に応じて、不感帯領域、零速度指令領域（左旋回用及び右旋回用）、左方向旋回駆動領域、及び右方向旋回駆動領域の５つの領域に区分される。

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。

「不感帯領域」
不感帯領域は、レバー２６Ａの中立点付近に設けられる操作量が±１０％未満の領域である。旋回停止状態から旋回を開始するときに、レバー２６Ａの操作量が不感帯領域にある場合は、旋回駆動制御装置４０による旋回用電動機２１の駆動制御は行われない。また、不感帯領域内で旋回用電動機２１の駆動制御が行われていないときは、メカニカルブレーキ２３によって旋回用電動機２１が機械的に停止された状態となる。

また、旋回中にレバー２６Ａの操作量が不感帯領域に入った場合は、零速度指令を出力する。この零速度指令とは、上部旋回体３の旋回速度を零にするために、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を零にするための速度指令であり、後述するＰＩ(Proportional Integral)制御では、回転軸２１Ａの回転速度を零に近づけるための目標値として用いられる。

従って、旋回中にレバー２６Ａの操作量が不感帯領域に入った場合は、この零速度指令が表す速度（零）と実際の回転速度との偏差に基づいて制動トルクを発生するようにトルク電流指令が演算され、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを停止させる。回転軸２１Ａが停止すると、旋回駆動制御装置４０による旋回用電動機２１の駆動制御が行われ、メカニカルブレーキ２３によって旋回用電動機２１が機械的に停止されるように構成されている。

なお、メカニカルブレーキ２３の制動（オン）／解除（オフ）の切り替えは、コントローラ３０内の旋回駆動制御装置４０によって行われる。

「零速度指令領域」
零速度指令領域は、レバー２６Ａの操作方向における不感帯領域の両外側に設けられる操作量が１０％以上２０％未満と"−１０％"以下"−２０％"未満の領域である。レバー２６Ａの操作量が零速度指令領域にあるときは、旋回用電動機２１は零速度指令によって回転速度が零になるように駆動制御される。すなわち、この零速度指令が表す速度（零）と実際の回転速度との偏差に基づいて制動トルクを発生するようにトルク電流指令が演算され、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを停止させる。

なお、零速度指令領域では、メカニカルブレーキ２３は解除された状態となる。

「右方向旋回駆動領域」
右方向旋回駆動領域は、上部旋回体３を右方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部３１から出力される領域であり、レバー２６Ａの操作量が２０％以上、１００％以下の領域である。

この領域内では、レバー２６Ａの操作量に応じて、速度指令の絶対値が増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置４０で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機２１が駆動され、この結果、上部旋回体３が右方向に旋回駆動される。

なお、上部旋回体３の旋回速度をある一定以下に制限するために、右方向旋回駆動領域における速度指令値は、操作量が８０％に達したところで速度指令が１００％の値で制限される。

「左方向旋回駆動領域」
左方向旋回駆動領域は、上部旋回体３を左方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部３１から出力される領域であり、レバー２６Ａの操作量が−２０％以下、−１００％以上の領域である。

この領域内では、レバー２６Ａの操作量に応じて、速度指令の絶対値が増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置４０で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機２１が駆動され、この結果、上部旋回体３が左方向に旋回駆動される。

なお、右方向旋回駆動領域と同様に、左方向旋回駆動領域における速度指令値は、操作量が−８０％に達したところで速度指令が−１００％の値で制限される。

「旋回駆動制御装置４０」
図４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、旋回駆動制御装置４０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。この制限特性については図５を用いて後述する。

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の許容最大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。

ここで、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、バケット６が積み上げられた土砂等に触れて旋回用電動機２１の負荷が大きい状態でも、旋回用電動機２１を駆動させるための駆動トルクを発生できるような値に設定されている。なお、トルク電流指令値を制限するための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５４に入力される。

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電圧指令を生成する。インバータ２０は、ＰＩ制御部５６から入力される電圧指令に基づき、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。この回転位置の変化により、旋回用電動機２１の回転方向（上部旋回体３の旋回方向）が導出されるため、旋回動作検出部５８は回転方向検出手段として機能する。導出された回転速度及び回転方向を表すデータは、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。

図５は、本実施の形態の旋回駆動制御装置の主制御部６０からトルク制限部５３に入力されるトルク電流指令の制限特性を示す図であり、（ａ）は右旋回時用の制限特性を示し、（ｂ）は左旋回時用の制限特性を示す。

この制限特性において、横軸は操作レバー２６Ａの操作量を表し、最大操作量を１００％とした百分率で示す。また、縦軸は許容されたトルク電流指令によって発生するトルクの値を表し、旋回用電動機２１の連続定格出力を１００％とした場合の百分率で示す。なお、横軸は右旋回用の操作量を正、左旋回用の操作量を負の値で表し、縦軸は正転側のトルクを正、逆転側のトルクを負の値で表す。

主制御部６０は、旋回動作検出部５８から入力される回転速度を表すデータに基づき、旋回用電動機２１の回転方向（上部旋回体３の旋回方向（右方向又は左方向））を判定し、右方向である場合には、図５（ａ）に示す制限特性をトルク制限部５３に入力し、左方向である場合には、図５（ｂ）に示す制限特性をトルク制限部５３に入力する。また、主制御部６０には、圧力センサ２９によって検出されるレバー２６Ａの操作方向（右旋回又は左旋回）と操作量が入力される。

また、主制御部６０は、圧力センサ２９から入力されるレバー２６Ａの操作方向を表すデータをトルク制限部５３に伝送する。

図５（ａ）に示すように、右旋回時用の制限特性は、加速トルク（旋回用電動機２１を加速させるためのトルク）の制限特性と、制動トルク（旋回用電動機２１を減速（制動）させるためのトルク）の制限特性を含む。

加速トルクの制限特性は、レバー２６Ａの操作量が０％〜２０％未満ではトルク電流指令の許容値が０％であり、操作量が２０％以上になると線形的に増大し、操作量が８０％に達したところで許容値が１００％としたとなり、操作量が８０％から１００％の間は許容値が１００％に制限される特性を有する。なお、レバー２６Ａの操作量が負の領域には、加速トルクの制限特性は存在しない。

一方、制動トルクの制限特性は、レバー２６Ａの操作量が０％のときは許容値が−１００％であり、操作量が−１００％のときに許容値が−１６０％になるように線形的に変化する特性を有する。レバー２６Ａの操作量が正の領域では許容値は−１００％の一定値にされる。このように、本実施の形態の旋回駆動制御装置は、右旋回時における制動トルクがレバー２６Ａの逆方向への操作量に応じて増大する制限特性を有する。

また、図５（ｂ）に示すように、左旋回時用の制限特性は、右旋回時用の制限特性と同様に加速トルクの制限特性と制動トルクの制限特性を含む。この左旋回時用の制限特性は、右旋回時用の制限特性における許容値の符号を反転させた特性を有する。

すなわち、加速トルクの制限特性は、レバー２６Ａの操作量が０％〜−２０％未満ではトルク電流指令の許容値が０％であり、操作量が−２０％以上で線形的に変化し、−８０％で許容値が−１００％となり、操作量が−８０％から−１００％の間は許容値が−１００％に制限される特性を有する。なお、レバー２６Ａの操作量が正の領域には、加速トルクの制限特性は存在しない。

一方、制動トルクの制限特性は、レバー２６Ａの操作量が０％のときは許容値が１００％であり、操作量が１００％のときに１６０％になるように線形的に変化する特性を有する。なお、レバー２６Ａの操作量が負の領域では許容値は１００％の一定値にされる。このように、本実施の形態の旋回駆動制御装置は、左旋回時における制動トルクがレバー２６Ａの逆方向への操作量に応じて増大する制限特性を有する。

トルク制限部５３は、主制御部６０から入力される制限特性とレバー２６Ａの操作方向に基づき、ＰＩ制御部５２から入力されるトルク電流指令の値を制限する。ＰＩ制御部５２からトルク制限部５３に入力されるトルク電流指令の値は、発生するトルクの値に換算すると、例えば絶対値で３００％程度の値を有するように設定される。このため、トルク制限部５３に入力されるトルク電流指令の値は、図５（ａ）及び（ｂ）に示す制限特性で表される許容値に制限される。

このように、本実施の形態の旋回駆動制御装置では、図５に示すようなトルク制限特性を用いてトルク制限部５３でトルク電流指令の制限を行うため、上部旋回体３を右旋回させているときにレバー２６Ａを左方向に操作すれば、図５（ａ）に示すように旋回用電動機２１の連続定格出力による制動トルクよりも大きな制動トルク（特性図における−１００％以下の逆転トルク）を発生させることができる。また、レバー２６Ａの操作量により制動トルク（逆転トルク）の大きさを−１００％から−１６０％の間で容易に調節することができるので、乗り心地を優先して緩やかに制動したいときはレバー２６Ａの逆方向への操作量を比較的小さくすればよく（例えば、−２０％程度）、また、素早く停止したいときはレバー２６Ａの逆方向への操作量を大きくすればよい（例えば、−１００％）。

このため、従来の旋回駆動制御装置よりも、上部旋回体３の右旋回を速やかに制動させることや、素早く停止させることが可能となり、作業効率の向上を図ることができる。

また、左旋回させている場合も同様に、レバー２６Ａを右方向に操作すれば、図５（ｂ）に示すように旋回用電動機２１の連続定格出力による制動トルクよりも大きな制動トルク（特性図における１００％以上の正転トルク）を発生させることができる。また、レバー２６Ａの操作量により制動トルク（正転トルク）の大きさを１００％から１６０％の間で容易に調節することができので、乗り心地を優先で緩やかに制動したいときはレバー２６Ａの逆方向への操作量を比較的小さくすればよく（例えば、２０％程度）、また、素早く停止したいときはレバー２６Ａの逆方向への操作量を大きくすればよい（例えば、１００％）。

このため、従来の旋回駆動制御装置よりも、上部旋回体３の左旋回を速やかに制動させることや、素早く停止させることが可能となり、作業効率の向上を図ることができる。

以上、本実施の形態の旋回駆動制御装置によれば、図５に示すようなトルク制限特性を用いてトルク制限部５３でトルク電流指令の制限を行うことにより、旋回方向とは逆方向へのレバー２６Ａの操作により、制動トルクの大きさを自在に調節することができる。これにより、状況に応じて制動力を調節すれば、乗り心地優先の緩やかな制動と、速やかな制動や素早い停止との両立が可能となり、乗り心地を確保しつつ作業効率の向上を図ることができる。

以上では、旋回用電動機２１の旋回操作方向を検出する操作方向検出手段として圧力センサ２９を用いる形態について説明したが、旋回操作方向を検出できる手段であれば、圧力センサ２９以外の手段を用いてもよい。

また、以上では、旋回用電動機２１の回転方向を検出する回転方向検出手段として旋回動作検出部５８を用いる形態について説明したが、回転方向を検出できる手段であれば、旋回動作検出部５８以外の手段を用いてもよい。

また、以上では、電動機を制動させるためのトルク電流指令（駆動指令）を増大させるために、主制御部６０からトルク制限部５３に入力する制限特性の許容値を増大させる制御ブロックを有する形態について説明したが、旋回用電動機２１の旋回操作方向と回転方向箱となる場合に制動トルクを増大できるのであれば、このような制御ブロック以外の制御ブロックを用いてもよい。

また、制動トルクの大きさを最大１６０％まで増大させる形態について説明したが、操作量に応じて（操作量が零の場合よりも）制動トルクを増大させることができるのであれば、制動トルクの大きさは任意に設定することができる。

また、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含む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。 本実施の形態の建設機械の速度指令変換部において操作レバーの操作量を速度指令に変換する変換特性を示す図である。 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主制御部６０からトルク制限部５３に入力されるトルク電流指令の制限特性を示す図であり、（ａ）は右旋回時用の制限特性を示し、（ｂ）は左旋回時用の制限特性を示す。

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、
   前記電動機の操作装置に入力される操作量と旋回操作方向を検出する操作検出手段と、
   前記電動機の回転方向を検出する回転方向検出手段と、
   前記操作検出手段によって検出される操作量と旋回操作方向に基づき、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
   を含み、前記駆動指令生成手段は、前記操作検出手段によって検出される旋回操作方向と、前記回転方向検出手段によって検出される回転方向とが異なる場合は、前記操作検出手段によって検出される操作量に応じて前記電動機を制動させるための駆動指令の値を絶対値で増大させる、旋回駆動制御装置。
2. 前記駆動指令生成手段は、前記駆動指令によって前記電動機で発生する駆動トルクが許容値以下になるように前記駆動指令の値を制限する制限手段を有し、
   前記制限手段は、前記操作検出手段によって検出される旋回操作方向と、前記回転方向検出手段によって検出される回転方向が異なる場合は、前記操作検出手段によって検出される操作量に応じて前記電動機を制動させるための制動トルク許容値を増大させることにより、前記電動機を制動させるための駆動指令の値を絶対値で増大させる、請求項１に記載の旋回駆動制御手段。
3. 前記制限手段は、前記制動トルク許容値を前記電動機の連続定格トルクを表す駆動指令値よりも大きく、かつ、短時間定格トルクを表す駆動指令値以下の値にまで増大させる、請求項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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