JP2010001655A - 旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機及びインバータを大型化することなく、大型の建設機械にも搭載可能な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】前記旋回機構に機械的に接続される第１電動機及び第２電動機と、前記旋回機構の操作部を介して入力される操作量に基づき、前記第１電動機の回転速度を制御するための速度指令を出力する速度指令出力部と、前記第１電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、前記速度指令出力部から出力される速度指令と、前記回転速度検出部によって検出される回転速度とに基づき、前記第１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部と、前記駆動指令生成部によって生成される駆動指令を用いて前記第１電動機を駆動制御する第１駆動制御部と、前記駆動指令生成部によって生成される駆動指令を用いて前記第２電動機を駆動制御する第２駆動制御部とを含む。
【選択図】図２

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、例えば、７０トン級の大型の建設機械では、ブーム、アーム、及びバケット等の作業要素の重量も嵩み、また、バケットで運ぶ土砂等の量も多く作業能力が非常に高いため、この作業能力に応じて高出力の旋回駆動用の電動機を用いる必要がある。高出力の電動機は、大型の永久磁石を有し、巻線の巻回数も多いため、大型で高価である。

また、大型の建設機械では、巨大な旋回トルクに対応するために旋回機構自体も大型化させる必要があるため、その周囲に電動機を設置するためのスペースは限られている。

これに加えて、高出力の電動機は、インバータ等のドライバも大型化するため、収納スペースの課題はさらに深刻なものとなる。

さらに、高出力の電動機は、低負荷時における電動機及びインバータでの電力損失が大きくなるため、低負荷時に効率が低下するという課題もある。

そこで、本発明は、電動機及びインバータを大型化することなく、大型の建設機械にも搭載可能な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、電動的に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、前記旋回機構を駆動するための第１電動機及び第２電動機と、前記旋回機構の操作部を介して入力される操作量に基づき、前記第１電動機の回転速度を制御するための速度指令を出力する速度指令出力部と、前記第１電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、前記速度指令出力部から出力される速度指令と、前記回転速度検出部によって検出される回転速度とに基づき、前記第１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部と、前記駆動指令生成部によって生成される駆動指令を用いて前記第１電動機を駆動制御する第１駆動制御部と、前記駆動指令生成部によって生成される駆動指令を用いて前記第２電動機を駆動制御する第２駆動制御部とを含む。

また、前記第１電動機の負荷の度合いを検出する負荷検出部を含み、前記第２駆動制御部は、前記負荷検出部によって検出される前記第１電動機の負荷が所定度合い以下の場合は、前記第２電動機の駆動制御を停止させてもよい。

また、前記旋回機構と前記第２電動機との間に配設される動力伝達機構と、前記動力伝達機構を接続状態または遮断状態に切り替える切替制御部とを含み、前記切替制御部は、前記負荷検出部によって検出される前記第１電動機の負荷が所定度合い以下の場合は、前記動力伝達機構を遮断状態に切り替えてもよい。

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、電動機及びインバータを大型化することなく、大型の建設機械にも搭載可能な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２０Ａ及び２０Ｂを介して旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂが接続されている。

このように、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械は、旋回駆動用の電動機を２つ備えるが、２つの旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの定格出力は、例えば、数十（Ｗ）程度であり、通常は２０トン級の建設機械の旋回駆動用の動力源として単独で用いられる電動機である。また、インバータ２０Ａ及び２０Ｂの容量も旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの定格出力に合わせられており、特に大型化はされていない。

旋回用電動機２１Ａの回転軸２１ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３Ａ、及び旋回減速機２４Ａ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。

また、もう一つの旋回用電動機２１Ｂの回転軸２１ｂには、メカニカルブレーキ２３Ｂ、旋回減速機２４Ｂ、及びクラッチ１００が接続される。クラッチ１００は、旋回用電動機２１Ｂの駆動力の伝達／遮断を切り替える動力伝達機構であり、コントローラ３０によって電気的に駆動制御が行われる電磁式クラッチである。

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、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂ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、インバータ２０Ａ及び２０Ｂの間に配設されている。これにより、電動発電機１２、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの少なくともいずれか一つ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、少なくともいずれか一つ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として蓄積するための電源である。

インバータ２０Ａは、旋回用電動機２１Ａ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２１Ａ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２１Ａの力行運転を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２１Ａに供給する。また、旋回用電動機２１Ａが回生運転をしている際には、旋回用電動機２１Ａにより発電された電力をバッテリ１９へ充電する。

同様に、インバータ２０Ｂは、旋回用電動機２１Ｂ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２１Ｂ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２１Ｂの力行運転を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２１Ｂに供給する。また、旋回用電動機２１Ｂが回生運転をしている際には、旋回用電動機２１Ｂ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２１Ａ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２１Ａの回転駆動力の回転力が旋回減速機２４Ａ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、旋回減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１Ａ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２１Ａとして、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ２０Ａ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２１Ａ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２１Ａにて発電される電力を増大させることができる。

同様に、旋回用電動機２１Ｂ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、旋回用電動機２１Ａとともに上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。この旋回用電動機２１Ｂは、旋回用電動機２１Ａとともに旋回機構２に接続されており、旋回機構２は、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの駆動力によって旋回駆動される。

このため、旋回用電動機２１Ｂの力行運転の際には、旋回用電動機２１Ｂの回転駆動力の回転力が旋回減速機２４Ｂ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。

ただし、旋回減速機２４Ｂと旋回機構２との間には、クラッチ１００が設けられているため、コントローラ３０によって、旋回用電動機２１Ａの駆動力だけで足りると判定された場合は、クラッチ１００が遮断状態に切り替えられ、旋回用電動機２１Ｂの駆動は停止される。

また、旋回用電動機２１Ａと同様に、上部旋回体３の慣性回転により、旋回減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１Ｂ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２１Ｂとして、旋回用電動機２１Ａと同様にＰＷＭ制御信号によりインバータ２０Ｂ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２１Ｂは、旋回用電動機２１Ａと同一の磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。

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２１Ａ及び２１Ｂ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。

クラッチ１００は、旋回用電動機２１Ｂの駆動力の伝達／遮断を切り替える動力伝達機構であり、コントローラ３０によって電気的に駆動制御が行われる電磁式クラッチである。このクラッチ１００は、コントローラ３０によって、旋回用電動機２１Ａの駆動力だけで足りると判定された場合は、遮断状態に切り替えられる。また、旋回用電動機２１Ａが回生運転を行う場合には、旋回用電動機２１Ｂでも回生運転を行わせるために、クラッチ１００は接続される。

図３は、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械において、旋回機構２、旋回用電動機２１Ａ、２１Ｂ、及び旋回減速機２４Ａ、２４Ｂの位置関係を示す斜視透視図である。この図３に示すように、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂには旋回減速機２４Ａ及び２４Ｂが接続されており、この旋回減速機２４Ａ及び２４Ｂと旋回機構２はギアが噛み合って動力を伝達可能に配設されている。

旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂが力行運転を行うと、駆動力が旋回減速機２４Ａ及び２４Ｂで減速され（増力され）、旋回機構２に伝達され、これにより上部旋回体３が右旋回方向または左旋回方向に旋回される。

また、上部旋回体３が減速される際は、上部旋回体３の旋回力が旋回機構２を介して旋回減速機２４Ａ及び２４Ｂに伝達され、これによって旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂが駆動され、回生運転が行われる。

図２に戻り、レゾルバ２２は、旋回用電動機２１Ａ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２１Ａと機械的に連結することで旋回用電動機２１Ａ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２１Ａ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２３Ａ及び２３Ｂ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２１Ａ及び２１Ｂの回転軸２１ａ及び２１ｂをそれぞれ機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３Ａ及び２３Ｂ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２４Ａ及び２４Ｂは、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの回転軸２１ａ及び２１ｂ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２１Ａ及び２１Ｂのメカニカルブレーキ２３Ａ及び２３Ｂ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２１Ａ、旋回用電動機２１Ｂ、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２１Ａ、２１Ｂ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、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２１Ａ及び２１Ｂ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４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４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２１Ａ及び２１Ｂ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２１Ａ及び２１Ｂの回転軸２１ａ及び２１ｂ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２１Ａ及び２１Ｂの回転軸２１ａ及び２１ｂ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］
この変換特性に示すように、不感帯領域は、レバー２６Ａの中立点付近に設けられている。この不感帯領域では、速度指令変換部３１から速度指令は出力されず、旋回駆動制御装置４０による旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの駆動制御は行われない。また、不感帯領域では、メカニカルブレーキ２３Ａ及び２３Ｂによって旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂが機械的に停止された状態となる。

従って、レバー２６Ａの操作量が不感帯領域内にある間は、メカニカルブレーキ２３Ａ及び２３Ｂによって旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂが機械的に停止され、これにより、上部旋回体３が機械的に停止された状態となる。

［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ている。この零速度指令領域は、不感帯領域における上部旋回体３の停止状態と、左右方向の旋回駆動領域における旋回状態とを切り替える際に操作性を良くするために設けられる緩衝領域である。

操作レバー２６Ａの操作量がこの零速度指令領域の範囲内にあるときは、速度指令変換部３１から零速度指令が出力され、メカニカルブレーキ２３Ａ及び２３Ｂは解除された状態となる。

ここで、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２１Ａ及び２１Ｂの回転軸２１ａ及び２１ｂ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及び２１ｂ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。

なお、メカニカルブレーキ２３Ａ及び２３Ｂの制動（オン）／解除（オフ）の切り替えは、不感帯領域と零速度指令領域の境界においてコントローラ３０内の旋回駆動制御装置４０によって行われる。

従って、レバー２６Ａの操作量が零速度指令領域内にある間は、メカニカルブレーキ２３Ａ及び２３Ｂは解除され、零速度指令により、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの回転軸２１ａ及び２１ｂは停止状態に保持される。これにより、上部旋回体３は旋回駆動されずに停止状態に保持される。

［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２１Ａ及び２１Ｂ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、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、左方向旋回駆動領域における速度指令値は、絶対値が所定の値で制限される。

［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２１Ａ及び２１Ｂ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、左方向旋回駆動領域と同様に、右方向旋回駆動領域における速度指令値は、絶対値が所定の値で制限される。

なお、コントローラ３０によって、旋回用電動機２１Ａの駆動力だけで足りると判定された場合は、クラッチ１００が遮断状態に切り替えられるとともに、旋回用電動機２１Ｂを駆動するためのインバータ２０Ｂには速度指令に基づくＰＷＭ制御信号は伝送されなくなる。

［旋回駆動制御装置４０］
図５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２０Ａ及び２０Ｂを介して旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの駆動制御を行うための制御装置であり、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂ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２０Ａ及び２０Ｂに入力され、このインバータ２０Ａ及び２０Ｂから出力されるＰＷＭ制御信号によって旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂが交流駆動される。

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２１Ａ及び２１Ｂ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ともに、インバータ２０Ａ及び２０Ｂ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、切替部５７、電流変換部５８、及び旋回動作検出部５９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５９によって検出される旋回用電動機２１Ａ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２１Ａ及び２１Ｂ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２１Ａ及び２１Ｂ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。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、トルク電流指令値を制限することにより、制御性を良好にすることができる。

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に旋回する際のトルク電流指令値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２１Ａ及び２１Ｂ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旋回動作に対して行われる。

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５８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５８を含むフィードバックループにおいて、電流変換部５８から出力される旋回用電動機２１Ａ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、切替部５７を介してインバータ２０Ａ及び２１Ｂ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２０Ａ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２１ＡをＰＷＭ駆動する。また、インバータ２０Ｂは、切替部５７によってＰＩ制御部５６から入力される電圧指令が入力される場合は、この電圧指令に基づき、旋回用電動機２１ＢをＰＷＭ駆動する。

切替部５７は、ＰＩ制御部５６から入力される電圧指令の出力先の切替制御を行うために設けられており、その切替は、主制御部６０によって行われる。電圧指令の出力先は、「インバータ２０Ａのみ」、または「インバータ２０Ａ及び２０Ｂの両方」のいずれかに切り替えられる。

この切替部５７は、主制御部６０によって旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの双方の駆動トルクが必要であると判定された場合には、ＰＩ制御部５６から入力される電圧指令の出力先をインバータ２０Ａ及び２０Ｂの双方に切り替え、主制御部６０によって旋回用電動機２１Ａのみの駆動トルクで足りると判定された場合には、ＰＩ制御部５６から入力される電圧指令の出力先をインバータ２０Ａのみに切り替える。

電流変換部５８は、旋回用電動機２１Ａ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５９は、レゾルバ２２によって検出される旋回用電動機２１Ａ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２１Ａ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２１Ａ及び２１Ｂ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６は、本実施の形態の旋回駆動制御装置における切替部５７及びクラッチ１００の制御処理の手順を示す図である。この処理は、主制御部６０によって実行される処理であり、本実施の形態の旋回駆動制御装置が運転されている間は、所定の周期で繰り返し実行される処理である。

主制御部６０は、速度指令変換部３１から入力される速度指令値が表す回転速度と、旋回動作検出部５９から入力される回転速度との偏差に基づき、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの負荷の度合いを判定する。この負荷の度合いに基づいて切替部５７の出力先の切替制御と、クラッチ１００の接続／遮断制御を行う。旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの力行運転と回生運転の切り替えは、旋回駆動制御装置４０により、速度指令値が表す速度と回転速度との偏差に基づいて行われるが、本実施の形態では、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの負荷が比較的大きい場合には、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの双方で力行運転と回生運転を行う。これは、例えば、バケット６に多量の土砂等を積載している場合等、上部旋回体３の駆動に大きな駆動力が必要な場合には旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの双方の駆動力を利用して旋回機構２を旋回駆動させるためである。また、同様に、バケット６に多量の土砂等を積載しながら減速する場合等、上部旋回体３の慣性力が大きい場合には、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの双方の発電能力を利用して効率よく発電を行うためである。

また、本実施の形態では、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの負荷が比較的小さい場合には、旋回用電動機２１Ａのみで力行運転と回生運転を行う。これは、例えば、バケット６が空の場合等、上部旋回体３の駆動に大きな駆動力が必要ない場合には旋回用電動機２１Ａのみの駆動力を利用して旋回機構２を旋回駆動させるためである。また、同様に、バケット６が空の状態で減速する場合等、上部旋回体３の慣性力が小さい場合には、旋回用電動機２１Ａのみの発電能力で発電を賄えるため、旋回用電動機２１Ａのみを利用して効率よく発電を行うためである。

具体的には、以下のように処理が実行される。

主制御部６０は、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの負荷の度合いが所定度合い以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。ここでは、速度指令変換部３１から入力される速度指令値が表す回転速度と、旋回動作検出部５９から入力される回転速度との偏差を旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの負荷の度合いとして扱い、この偏差が所定度合い以上であるか否かによって判定を行う。なお、この偏差は、速度偏差であるため、所定度合いは、例えば、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの定格出力等を考慮に入れた上で、上述のように力行運転と回生運転において、旋回用電動機２１Ａのみで旋回駆動できる速度偏差の上限、又は、旋回用電動機２１Ａのみの回生運転で発電を賄える速度偏差の上限のうち、低い方の値に設定すればよい。

主制御部６０は、偏差が所定度合い以上であると判定した場合は、切替部５７の出力先をインバータ２０Ａ及び２０Ｂの両方にするとともに、クラッチ１００を接続させる（ステップＳ２）。これにより、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの双方により力行運転又は回生運転が行われる。負荷が大きい場合には２つの旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの力行運転による駆動力で上部旋回体３を旋回駆動させるためであり、また、負荷が大きい場合には２つの旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの回生運転で上部旋回体３の慣性力を効率よく電気エネルギに変換するためである。なお、力行運転と回生運転の切り替えは、旋回駆動制御装置４０により、速度指令値が表す速度と回転速度との偏差に基づいて行われる。

また、主制御部６０は、偏差が所定度合い未満であると判定した場合は、切替部５７の出力先をインバータ２０Ａのみに切り替えるとともに、クラッチ１００を遮断させる（ステップＳ３）。これにより、旋回用電動機２１Ａのみの力行運転又は回生運転が行われ、旋回機構２が駆動される。負荷が小さい場合は、１つの旋回用電動機２１Ａのみの駆動力で上部旋回体３を旋回させるためであり、また、負荷が小さい場合には、１つの旋回用電動機２１Ａのみの回生運転で上部旋回体３の慣性力を効率よく電気エネルギに変換するためである。

以上の処理は、本実施の形態の旋回駆動制御装置が運転されている間は、所定の周期で繰り返し実行される。

このように本実施の形態によれば、旋回駆動用の電動機を２つ備え、２つの旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの定格出力は、例えば、数十（Ｗ）程度であり、通常は２０トン級の建設機械の旋回駆動用の動力源として単独で用いられる電動機である。また、インバータ２０Ａ及び２０Ｂの容量も旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂの定格出力に合わせた容量である。

このため、電動機及びインバータを大型化することなく、例えば７０トン級のような大型の建設機械にも搭載可能な高効率の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ができる。インバータ（２０Ａ、２０Ｂ）及び旋回用電動機（２１Ａ、２１Ｂ）をそれぞれ２つ備えることになるが、建設機械の大型化に伴って大型化されたインバータと旋回用電動機を備えるよりは、搭載スペースは小さくて済み、また、２つに分かれていることから離れた場所に設置することも可能となる。本実施の形態によれば、以上のように、スペース的な課題を解決することができる。

また、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂやインバータ２０Ａ及び２０Ｂを大型化する必要がないため、電力損失の増大や、大幅なコストアップを生じることなく、作業性を向上させることができる。

以上では、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂがインバータ２０Ａ及び２０Ｂ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５９を用いる形態について説明したが、旋回用電動機２１Ａ及び２１Ｂは直流モータであってもよい。この場合は、インバータ２０Ａ、２０Ｂ、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５９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。 本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械において、旋回機構２、旋回用電動機２１Ａ、２１Ｂ、及び旋回減速機２４Ａ、２４Ｂの位置関係を示す斜視透視図である。 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許容値切替部の判定部によって実行されるトルク許容値の切り替え処理の手順を示す図である。

符号の説明

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
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
２０Ａ、２０Ｂ インバータ
２１Ａ、２１Ｂ 旋回用電動機
２１ａ、２１ｂ 回転軸
２２ レゾルバ
２３Ａ、２３Ｂ メカニカルブレーキ
２４Ａ、２４Ｂ 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 切替部
５８ 電流変換部
５９ 旋回動作検出部
６０ 主制御部
１００ クラッチ

Claims (4)

1. 電動的に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、
   前記旋回機構を駆動するための第１電動機及び第２電動機と、
   前記旋回機構の操作部を介して入力される操作量に基づき、前記第１電動機の回転速度を制御するための速度指令を出力する速度指令出力部と、
   前記第１電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、
   前記速度指令出力部から出力される速度指令と、前記回転速度検出部によって検出される回転速度とに基づき、前記第１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部と、
   前記駆動指令生成部によって生成される駆動指令を用いて前記第１電動機を駆動制御する第１駆動制御部と、
   前記駆動指令生成部によって生成される駆動指令を用いて前記第２電動機を駆動制御する第２駆動制御部と
   を含む、旋回駆動制御装置。
2. 前記第１電動機の負荷の度合いを検出する負荷検出部を含み、
   前記第２駆動制御部は、前記負荷検出部によって検出される前記第１電動機の負荷が所定度合い以下の場合は、前記第２電動機の駆動制御を停止させる、請求項１に記載の旋回駆動制御装置。
3. 前記旋回機構と前記第２電動機との間に配設される動力伝達機構と、
   前記動力伝達機構を接続状態または遮断状態に切り替える切替制御部と
   を含み、
   前記切替制御部は、前記負荷検出部によって検出される前記第１電動機の負荷が所定度合い以下の場合は、前記動力伝達機構を遮断状態に切り替える、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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