JP2010150896A - 旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機により上部旋回体の旋回駆動を行う建設機械において、旋回状態にある上部旋回体を停止させる際にその旋回停止時期を遅らせることなく「揺れ戻し」を防止し得る旋回駆動制御装置を提供すること。
【解決手段】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は、速度指令変換部３１が出力する速度指令値と旋回動作検出部５８が検出する旋回速度との間の偏差に基づいて、少なくとも比例成分と積分成分とを含む制御系により旋回速度を変化させるためのトルク指令値を生成するフィードバック制御部５２を備え、フィードバック制御部５２は、速度指令変換部３１が速度指令値として零を出力して旋回状態にある旋回機構を停止させる際に、旋回動作検出部５８により検出された実際の旋回速度が最初に零に達した時点でその積分成分をリセットする。
【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、駆動機構の一部を電動化した建設機械が提案されている。このような建設機械では、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旋回加速するとともに、旋回機構を旋回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。

より具体的には、この建設機械は、旋回用操作レバーの操作量に応じて旋回速度の指令信号を生成し、旋回速度の指令信号と旋回機構の実際の旋回速度との間の偏差ΔＮに応じてＰＩ（Proportional Integral）制御により旋回機構の電動機のトルクを制御し、旋回加速又は旋回制動を実現している。ところで、旋回機構によって回転される上部旋回体は、キャビンやエンジンの他にブーム及びアーム等の作業機構を搭載しているのでその重量が大きい。そのため、旋回状態にある上部旋回体が停止する瞬間には電動機がトルクを有しており、停止した旋回機構には旋回機構自身の変形や作業機構の撓み等による弾性エネルギーが蓄積されることとなる。その結果、この建設機械は、この弾性エネルギーが解放されるように作業機構が反対側に何回か揺れる「揺れ戻り」現象を発生させ操作性を悪化させるという問題を有する。このような問題に対して、特許文献１に記載された建設機械は、旋回制動時において停止直前であることを判別したとき、すなわち、旋回速度が予め定めた微速値になったときに、旋回トルクを０又はそれに近い微小値に制御し、停止の瞬間に蓄えられてしまう弾性エネルギーを低減させてその「揺れ戻り」を防止するようにしている。
特開２００１−１０７８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された建設機械は、旋回制動時において停止直前であることを判別したとき、すなわち、旋回速度が予め定めた微速値になったときに、旋回トルクを０又はそれに近い微小値に制御するので、最後まで旋回トルクを発生させながら上部旋回体を制動した場合と比べてその旋回停止時期を遅らせてしまうという問題がある。

そこで、本発明は、旋回停止時期を遅らせることなく「揺れ戻り」を防止し得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。

上述の目的を達成するために、第一の発明に係る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、建設機械の操作部を介して入力される操作量を速度指令値に変換する速度指令変換部と、前記旋回機構の旋回速度を検出する旋回動作検出部と、前記速度指令変換部が出力する速度指令値と前記旋回動作検出部が検出する旋回速度との間の偏差に基づいて、少なくとも比例成分と積分成分とを含む制御系により旋回速度を変化させるためのトルク指令値を生成するフィードバック制御部と、を備え、前記フィードバック制限部は、前記速度指令変換部が速度指令値として零を出力し旋回状態にある前記旋回機構を停止させる際に、前記旋回動作検出部により検出される実際の旋回速度が最初に零に達した時点で前記積分成分をリセットすることを特徴とする。

また、第二の発明は、第一の発明に係る旋回駆動制御装置を含む建設機械である。

本発明によれば、旋回停止時期を遅らせることなく「揺れ戻り」を防止し得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を介して蓄電装置としてのバッテリ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及びレバー操作検出部としての圧力センサ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、上述の如く電動発電機１２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、電動発電機１２の運転制御を行う。これにより、インバータ１８が電動発電機１２の力行を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２の回生を運転制御している際には、電動発電機１２により発電された電力をバッテリ１９に充電する。

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の力行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。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転力を増力させ、より大きな回転力として旋回体へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、旋回体で発生した回転数を増加させ、より多くの回転動作を旋回用電動機２１に発生させることができる。

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（例えば、中立位置を基準としたレバー傾斜角度である。）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を操作するために１本ずつ（すなわち合計２本）、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をそれぞれ操作するために２本ずつ（すなわち合計６本）設けられるため、実際には全部で８本あるが、説明の便宜上、１本にまとめて表す。

レバー操作検出部としての圧力センサ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。これにより、レバー２６Ａの操作量を的確に把握することができる。また、本実施の形態では、レバー操作検出部としての圧力センサを用いたが、レバー２６Ａの操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。

「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。

ここで、本明細書及び特許請求の範囲では、運転者が操作装置２６のレバー２６Ａを中立点より操作して上部旋回体３を旋回させようとする方向（すなわち、操作装置２６に入力される中立点を基準とした旋回方向）を「旋回操作方向」と称す。

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、左旋回を表す値を正の値で表し、右旋回を表す値を負の値で表すこととする。このため、操作レバー２６Ａの左方向の操作量を正の値で、また、右方向の操作量を負の値で規定し、上部旋回体３を左方向に旋回させるための速度指令の値が正となり、右方向に旋回させるための速度指令の値が負となる。

「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２１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。

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２３によって旋回用電動機２１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２３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。

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、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。

具体的には、操作レバー２６Ａの操作量が不感帯領域から零速度指令領域に移行した場合、旋回駆動制御装置４０は、即座にメカニカルブレーキ２３に対して解除（オフ）信号を出力する。

従って、平坦地では、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２３は解除され、零速度指令により、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａは停止状態に保持される。これにより、平坦地では、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。

一方で、操作レバー２６Ａの操作量が左（右）方向旋回駆動領域から零速度指令領域を経て不感帯領域に移行する場合、旋回駆動制御装置４０は、即座にメカニカルブレーキ２３に対して制動（オン）信号を出力することなく、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度が継続的に零速度検出閾値（ほぼ零と見なせる値であり、レゾルバ２２の検出精度に応じて設定される。）以下となる時間（以下、「零速度継続時間」とする。）が継続時間閾値を超え、且つ、操作レバー２６Ａの操作量が不感帯領域に留まる時間（以下、「不感帯領域滞留時間」とする。）が滞留時間閾値を超えた場合に、上部旋回体３の旋回が完全に停止したものと判定して（以下、「完全停止判定」とする。）、メカニカルブレーキ２３に対して制動（オン）信号を出力する。

従って、操作レバー２６Ａの操作量が不感帯領域にある場合であっても、完全停止判定が行われない限りメカニカルブレーキ２３は解除されたままであり、零速度指令による回転軸２１Ａの停止が継続されることとなる。

「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、速度指令の値が正方向で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、図３中の速度指令の値は、レバー２６Ａの操作量が一定の範囲を超えると一定値となっているが、これは、上部旋回体３の旋回速度を予め定められた値以下に制限するために、速度指令値の値を制限していることを示している。

「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、速度指令の値が負方向で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、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、所定の値で制限される。

図４は、本実施の形態の建設機械における旋回制御の各種モード間の遷移を説明するための図であり、その旋回制御は、停止（ブレーキ）モード、起動モード、旋回モード、及び停止（保持制御）モードの四つのモードで構成される。

停止（ブレーキ）モードは、メカニカルブレーキ２３によって旋回停止状態が維持されるモードであり、操作レバー２６Ａの操作量が不感帯領域から零速度指令領域に移行すると起動モードに遷移する。

起動モードは、旋回用電動機２１が零速度指令により制御されて旋回停止状態が維持されるモードであり、操作レバー２６Ａの操作量が零速度指令領域から不感帯領域に移行すると停止（ブレーキ）モードに遷移し、操作レバー２６Ａの操作量が零速度指令領域から左（右）方向旋回駆動領域に移行すると旋回モードに遷移する。

旋回モードは、旋回用電動機２１が速度指令により制御されて旋回が行われるモードであり、操作レバー２６Ａの操作量が左（右）方向旋回駆動領域から零速度指令領域に移行すると停止（保持制御）モードに遷移する。

停止（保持制御）モードは、旋回用電動機２１が零速度指令により制御されて旋回停止状態が維持されるモードであり、上部旋回体３の旋回が完全に停止したか否かの判定が開始されるモードである。停止（保持制御）モードは、完全停止判定が行われる前に操作レバー２６Ａの操作量が零速度指令領域から左（右）方向旋回駆動領域に移行すると旋回モードに遷移し、完全停止判定が行われると停止（ブレーキ）モードに遷移する。

「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を駆動するためのトルク電流増減値（トルク指令値）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トルク電流増減値を生成する。駆動指令生成部５０から出力されるトルク電流増減値はインバータ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。

インバータ２０は、駆動指令生成部５０から受けるトルク電流増減値によりトルク電流値を増減させて電動機２１を左方向又は右方向に加速又は減速させる。なお、インバータ２０は、例えば、トルク電流値がプラス側に大きいほど上部旋回体３を左方向に旋回させる旋回用電動機２１のトルクを増大させるようにし、トルク電流値がマイナス側に大きいほど上部旋回体３を右方向に旋回させる旋回用電動機２１のトルクを増大させるようにする。

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。

「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、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増減値を演算する。生成されたトルク電流増減値は、トルク制限部５３に入力される。

具体的には、ＰＩ制御部５２は、今回の制御サイクルにおいて減算器５１から入力される偏差に所定の比例（Ｐ）ゲインを乗じた値（比例成分）と、今回の制御サイクルにおいて減算器５１から入力される偏差と前回の制御サイクルまでに積算された偏差の積算値（積分値）を加算したものに所定の積分（Ｉ）ゲインを乗じた値（積分成分）とを加算してトルク電流増減値を求める。

また、ＰＩ制御部５２は、レバー２６Ａの操作量が左（右）方向旋回駆動領域から零速度指令領域に移行し、或いは零速度指令領域を超えて更に不感帯領域に移行し、零速度指令により旋回制動が開始された場合（旋回モードから停止（保持制御）モードに遷移した場合）に、旋回用電動機２１の回転速度が最初に零（０）に達したタイミングで偏差の積算値（積分値）をリセットする（０にする）。

このように、ＰＩ制御部５２は、旋回電動機２１の回転速度が零になった時点でフィードバック制御の積分成分をリセットすることで制動トルクが過度に残存するのを防止するようにして揺れ戻りを抑えることができる。一方で、ＰＩ制御部５２は、旋回電動機２１の回転速度が零になった時点であってもフィードバック制御自体は継続させているので、零速度指令と回転速度とに偏差が生じればＰＩ制御による補正動作が行われて、旋回停止時期が遅れるのを防止することができる。

なお、旋回電動機２１の回転速度が、右方向旋回のときに正の値で表され、左方向旋回のときに負の値で表されることから、ＰＩ制御部５２は、旋回制動開始前の旋回方向が左方向であった場合には旋回用電動機２１の回転速度が０以下となったことを検出したタイミングにおいて、或いは、旋回制動開始前の旋回方向が右方向であった場合には旋回用電動機２１の回転速度が０以上となったことを検出したタイミングにおいて、偏差の積算値（積分値）をリセットする。或いは、ＰＩ制御部５２は、旋回用電動機２１の回転速度を絶対値にし、旋回方向にかかわらずその絶対値が０以下となったタイミングで偏差の積算値（積分値）をリセットするようにしてもよい。

旋回用電動機２１の回転速度が最初に零（０）に達したか否かの判定は主制御部６０によって実行され、ＰＩ制御部５２は、旋回用電動機２１の回転速度が最初に零（０）に達したとの判定結果を受けて積分成分のリセットを実行する。

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増減値の変動幅を制限する処理を行う。

このようなトルク電流増減値の変動幅の制限は、ＰＩ制御部５２によって演算されるトルク電流増減値が急激に変動すると旋回制御性が悪化するため、この悪化を抑制するために行われる。この制限特性は、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向における急旋回を制限するための特性を有するものであり、レバー２６Ａの操作量の増大に応じてトルク電流増減値の変動幅を緩やかに増大させる特性を有する。

制限特性を表すデータ（例えば、参照テーブルの形式で提供される。）は、主制御部６０の内部メモリに格納されており、トルク制限部５３によって読み出される。

図６は、トルク制限部５３で採用される制限特性の一例を示す図であり、横軸にレバー２６Ａの操作量を配し、縦軸に許容最大変動幅（トルク制限値）を配し、トルク電流増減値の許容最大変動幅を実線で示す。図６（Ａ）は、旋回操作方向が左方向の場合に採用される制限特性であり、図６（Ｂ）は、旋回操作方向が右方向の場合に採用される制限特性である。

図６（Ａ）の制限特性の第一象限は、左方向旋回における旋回加速側の許容最大変動幅（以下、「許容最大変動幅（加速側）」とする。）の特性を規定し、第四象限は、左方向旋回における旋回制動側の許容最大変動幅（以下、「許容最大変動幅（制動側）」とする。）の特性を規定する。また、図６（Ｂ）の制限特性の第二象限は、右方向旋回における許容最大変動幅（制動側）の特性を規定し、第三象限は、右方向旋回における許容最大変動幅（加速側）の特性を規定する。

図６（Ａ）において、左方向旋回の許容最大変動幅（加速側）は、操作量が小さい場合に零とされ、その後、操作量が増大するにつれて増大し、操作量が所定の値を超えたところで一定となる。また、左方向旋回の許容最大変動幅（制動側）は、操作量の大きさにかかわらず比較的小さい値、例えば、制御上の最小値（絶対値で最大値）で一定とされる。

図６（Ｂ）において、右方向旋回の許容最大変動幅（加速側）は、操作量が大きい場合（絶対値で操作量が小さい場合）に零とされ、その後、操作量が減少する（絶対値で増大する）につれて減少し（絶対値で増大し）、操作量が所定の値を超えたところで一定となる。

また、右方向旋回の許容最大変動幅（制動側）は、操作量の大きさにかかわらず比較的大きい値、例えば、制御上の最大値で一定とされる。

レバー２６Ａを中立位置から零速度指令領域を超えて左方向旋回駆動領域へ傾斜させる場合、或いは左方向旋回駆動領域内で零速度指令領域側に戻す場合、操作量はプラスの値となるので、左方向旋回用の図６（Ａ）の制限特性から、操作量（プラスの値）に応じて許容最大変動幅（加速側）と許容最大変動幅（制動側）とを求めることになる。

ここで、左方向旋回における許容最大変動幅（加速側）は、ＰＩ制御部５２によって算出されるトルク電流増減値がプラスの値である場合、すなわち、操作量が左方向旋回駆動領域側で増加したことにより実際の旋回速度（旋回用電動機２１の回転速度）に対して速度指令が大きくなりインバータ２０における現在のトルク電流値を増大させる場合であって、ＰＩ制御部５２によって算出されたトルク電流増減値（プラスの値）がレバー２６Ａの操作量に対応する許容最大変動幅（加速側）より大きい場合に、そのトルク電流増減値を許容最大変動幅（加速側）に制限するためのものである。

なお、ＰＩ制御部５２によって算出されるトルク電流増減値（プラスの値）がレバー２６Ａの操作量に対応する許容最大変動幅（加速側）より小さい場合には、そのトルク電流増減値がそのまま出力されることとなる。

また、左方向旋回における許容最大変動幅（制動側）は、ＰＩ制御部５２によって算出されるトルク電流増減値がマイナスの値である場合、すなわち、操作量が左方向旋回駆動領域側で減少したことにより実際の旋回速度（旋回用電動機２１の回転速度）に対して速度指令が小さくなりインバータ２０における現在のトルク電流値を減少させる場合であって、ＰＩ制御部５２によって算出されたトルク電流増減値（マイナスの値）がレバー２６Ａの操作量に対応する許容最大変動幅（制動側）より小さい場合（絶対値で大きい場合）に、そのトルク電流増減値を許容最大変動幅（制動側）に制限するためのものである。

なお、ＰＩ制御部５２によって算出されるトルク電流増減値（マイナスの値）がレバー２６Ａの操作量に対応する許容最大変動幅（制動側）より大きい場合（絶対値で小さい場合）には、そのトルク電流増減値がそのまま出力されることとなる。

一方、レバー２６Ａを中立位置から零速度指令領域を超えて右方向旋回駆動領域へ傾斜させる場合、或いは右方向旋回駆動領域内で零速度指令領域側に戻す場合、操作量はマイナスの値となるので、右方向旋回用の図６（Ｂ）の制限特性から、操作量（マイナスの値）に応じて許容最大変動幅（加速側）と許容最大変動幅（制動側）とを求めることになる。

ここで、右方向旋回における許容最大変動幅（加速側）は、ＰＩ制御部５２によって算出されるトルク電流増減値がマイナスの値である場合、すなわち、操作量（マイナスの値）が右方向旋回駆動領域側で減少したことにより実際の旋回速度（旋回用電動機２１の回転速度）に対して速度指令が小さくなり（絶対値で大きくなり）インバータ２０における現在のトルク電流値を減少させる（絶対値で増大させる）場合であって、ＰＩ制御部５２によって算出されたトルク電流増減値（マイナスの値）がレバー２６Ａの操作量に対応する許容最大変動幅（加速側）より小さい場合（絶対値で大きい場合）に、そのトルク電流増減値を許容最大変動幅（加速側）に制限するためのものである。

なお、ＰＩ制御部５２によって算出されるトルク電流増減値（マイナスの値）がレバー２６Ａの操作量に対応する許容最大変動幅（加速側）より大きい場合（絶対値で小さい場合）には、そのトルク電流増減値がそのまま出力されることとなる。

また、右方向旋回における許容最大変動幅（制動側）は、ＰＩ制御部５２によって算出されるトルク電流増減値がプラスの値である場合、すなわち、操作量（マイナスの値）が右方向旋回駆動領域側で増加したことにより実際の旋回速度（旋回用電動機２１の回転速度）に対して速度指令が大きくなり（絶対値で小さくなり）インバータ２０における現在のトルク電流値を増加させる（絶対値で減少させる）場合であって、ＰＩ制御部５２によって算出されたトルク電流増減値（プラスの値）がレバー２６Ａの操作量に対応する許容最大変動幅（制動側）より大きい場合に、そのトルク電流増減値を許容最大変動幅（制動側）に制限するためのものである。

なお、ＰＩ制御部５２によって算出されるトルク電流増減値（プラスの値）がレバー２６Ａの操作量に対応する許容最大変動幅（制動側）より小さい場合には、そのトルク電流増減値がそのまま出力されることとなる。

トルク制限部５４は、トルク制限部５３から出力された制限後のトルク電流増減値が旋回用電動機２１の許容最大トルク値以下となるように、トルク電流増減値を制限する。このトルク電流増減値の制限は、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、トルク電流増減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、トルク制限部５４によって読み出される。

このようにして、トルク制限部５４は、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増減値を生成する。インバータ２０は、トルク制限部５４から入力されるトルク電流増減値に基づき最終的なトルク電流値を決定し、旋回用電動機２１をＰＷＭ駆動する。

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。

このように、駆動指令生成部５０は、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増減値を生成し、上部旋回体３を所望の旋回位置まで旋回させる。このような旋回動作は、油圧駆動の建設機械と同様の操作手法により実現される。

以上では、旋回用電動機２１の制御手法としてＰＩ制御を用いる形態について説明したが、これに微分（Ｄ）成分を加えた所謂ＰＩＤ制御を用いる形態であってもよい。

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、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た建設機械であれば、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。 本実施の形態の建設機械における旋回制御の各種モード間の遷移を説明するための図である。 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。 トルク制限部５３で採用される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、５８・・・旋回動作検出部、６０・・・主制御部

Claims (2)

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、
   建設機械の操作部を介して入力される操作量を速度指令値に変換する速度指令変換部と、
   前記旋回機構の旋回速度を検出する旋回動作検出部と、
   前記速度指令変換部が出力する速度指令値と前記旋回動作検出部が検出する旋回速度との間の偏差に基づいて、少なくとも比例成分と積分成分とを含む制御系により旋回速度を変化させるためのトルク指令値を生成するフィードバック制御部と、を備え、
   前記フィードバック制限部は、前記速度指令変換部が速度指令値として零を出力し旋回状態にある前記旋回機構を停止させる際に、前記旋回動作検出部により検出される実際の旋回速度が最初に零に達した時点で前記積分成分をリセットする、
   ことを特徴とする旋回駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の旋回駆動制御装置を含む建設機械。

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