JP2010150898A - 旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】傾斜地においても安定的に旋回動作を行うことができる旋回駆動制御装置を提供すること。
【解決手段】旋回駆動制御装置40は、速度指令値と旋回速度との間の偏差に基づいてトルク電流増減値を生成するフィードバック制御部52と、トルク電流増減値の大きさを制限するトルク制限部53と、旋回操作方向とは逆方向の旋回動作を減じるようにトルク制限部53が制限したトルク電流増減値を補正する駆動指令補正部60と、建設機械が傾斜地にあるか平坦地にあるかを判定する平坦地判定部70とを備え、トルク制限部53は、建設機械が傾斜地にあり、レバー26Aの操作量が零速度指令領域にある場合に、トルク電流増減値の許容最大変動幅を零(0)に設定することで制限後のトルク電流増減値を零(0)にし、駆動指令補正部60による補正用トルク電流増減値により電動機を駆動制御する。
【選択図】図6
【解決手段】旋回駆動制御装置40は、速度指令値と旋回速度との間の偏差に基づいてトルク電流増減値を生成するフィードバック制御部52と、トルク電流増減値の大きさを制限するトルク制限部53と、旋回操作方向とは逆方向の旋回動作を減じるようにトルク制限部53が制限したトルク電流増減値を補正する駆動指令補正部60と、建設機械が傾斜地にあるか平坦地にあるかを判定する平坦地判定部70とを備え、トルク制限部53は、建設機械が傾斜地にあり、レバー26Aの操作量が零速度指令領域にある場合に、トルク電流増減値の許容最大変動幅を零(0)に設定することで制限後のトルク電流増減値を零(0)にし、駆動指令補正部60による補正用トルク電流増減値により電動機を駆動制御する。
【選択図】図6
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。
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、この指令信号が示す旋回速度と旋回機構の実際の旋回速度との間の偏差に応じて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。また、押し付け作業等においてその偏差が大きくなる場合に電動機のトルクが大きくなりすぎないように、旋回用操作レバーの操作量に応じてトルク制限を掛けている。
ところで、旋回機構によって旋回させられる上部旋回体には、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が搭載されている。この作業機構は重量が大きいため、建設機械が傾斜地にある場合であって旋回用操作レバーの操作量が小さいために電動機トルクが小さく制限されるような状況では、上部旋回体は、操作方向と逆方向に旋回してしまうという問題がある。
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、旋回用操作レバーの操作量が中立範囲にあるときに上部旋回体をその場に保持する位置保持制御を行い、そのときに発生するその場保持トルクを記憶しておき、旋回開始時に、記憶したその場保持トルクとレバー操作量に応じた加速トルクとのうちの大きい方を加速のための電動機トルクとして設定し、傾斜地での逆方向への旋回を防止している。
特開2004−036303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、旋回用操作レバーの操作量が中立範囲にあるときに上部旋回体をその場に保持する位置保持制御を行い、そのときに発生するその場保持トルクを記憶しておき、記憶したその場保持トルクを次回の旋回開始時の制御に用いるため、異なる場所への移動で傾斜状態が変化したことにより、或いは、ブーム又はアームが伸張されている状態と収縮されている状態との間で変化したことにより、直前に記憶されたその場保持トルクに過不足が生じた場合には、逆方向への旋回を防止できなくなり、或いは、旋回開始時の加速トルクを大きくし過ぎてしまうといった問題がある。
そこで、本発明は、このような問題を回避し、傾斜地においても安定的に旋回動作を行うことが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。
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、前記操作部に入力される旋回操作方向とは逆方向の旋回動作が前記旋回動作検出部によって検出されると、当該旋回操作方向とは逆方向の旋回動作の度合いに応じて、前記旋回操作方向とは逆方向の旋回動作を減じるように前記トルク指令値を補正するための補正用トルク指令値を生成する駆動指令補正部と、当該建設機械の水平面に対する傾斜角を検出する傾斜角検出部と、を備え、前記傾斜角検出部により検出された傾斜角が平坦地と傾斜地とを境界付けるための所定値以上であって前記操作部の操作量が所定範囲にある場合に、前記フィードバック制御部により生成されるトルク指令値を零として、前記駆動指令補正部により生成された補正用トルク指令値により前記電動機を駆動制御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装置であって、所定のトルク指令制限値と前記フィードバック制御部により生成されるトルク指令値とを比較し、前記トルク指令値が前記トルク指令制限値を超える場合に、前記トルク指令値を前記トルク指令制限値の大きさに制限するトルク制限部を更に備え、前記トルク制限部は、前記トルク指令制限値を零に設定することにより、前記トルク指令値を零とすることを特徴とする。
また、第三の発明は、第一又は第二の何れかの発明に係る旋回駆動制御装置であって、前記駆動指令補正部は、前記電動機の回転速度を零にするための零速度指令値と、前記旋回動作検出部によって検出される前記逆方向の旋回動作の度合いとに基づいて前記トルク指令値を補正するための補正用トルク指令値を生成することを特徴とする。
また、第四の発明は、第二の発明に係る旋回駆動装置であって、前記駆動指令補正部は、前記零速度指令値と、前記旋回動作検出部によって検出される旋回動作の度合いを表す値とに基づいて補正用トルク指令値を生成し、当該補正用トルク指令値を前記トルク制限部によって制限されたトルク指令値に加算するように構成されており、前記旋回動作検出部によって検出される旋回動作の方向が前記旋回操作方向と逆方向である場合は、前記補正用トルク指令値を前記トルク制限部によって制限されたトルク指令値に加算し、前記旋回動作検出部によって検出される旋回動作の方向が前記旋回操作方向と同一方向である場合は、前記トルク制限部によって制限されたトルク指令値に加算する前記補正用トルク指令値を零にすることを特徴とする。
また、第五の発明は、第一乃至第四の何れかの発明に係る旋回駆動制御装置であって、前記操作部の操作量の所定範囲は、前記速度指令変換部が零速度指令を出力する範囲として規定されることを特徴とする。
また、第六の発明は、第一乃至第五の何れかの発明に係る旋回制御装置を含む建設機械である。
本発明によれば、逆方向への旋回を防止するための保持トルクを記憶することなく、傾斜地においても安定的に旋回動作を行うことが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。ここで、図1に示すように建設機械が平坦地にある場合は、旋回機構2の旋回軸は鉛直上方を向く。
図2は、図1に示す建設機械が傾斜角θの傾斜地にある状態を示す図である。傾斜地では、旋回機構2の旋回軸も角度θだけ傾く。このため、従来のハイブリッド型の建設機械では、平坦地にある場合と異なり、既に課題として説明したように、駆動トルクが不足すると運転者が操作して上部旋回体3を旋回させようとする方向とは逆の方向に旋回するおそれがある。
「全体構成」
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の構成を表すブロック図である。この図3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。
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の構成を表すブロック図である。この図3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。
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。
傾斜センサ33は、建設機械の傾斜角を検出するためのセンサであり、例えば、傾斜による液面変化を静電容量変化として検出するセンサや、建設機械の前後方向及び左右方向を感応軸とする直交する二つの加速度センサモジュールを備えたセンサ等があり、上部旋回体3に搭載され、傾斜角を表す電気信号を旋回駆動制御装置40の主制御部80に対して出力する。
「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。
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4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。
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。
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。
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。
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。平坦地では、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4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。
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。平坦地では、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5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6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。
図6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、トルク電流増減値を補正する駆動指令補正部60、建設機械が平坦地にあるか否かを判定する平坦地判定部70、及び主制御部80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。
駆動指令補正部60は、旋回用電動機21の駆動制御に際して、運転者によって指定される旋回操作方向と上部旋回体3の旋回方向が異なる場合には、旋回用電動機21を駆動するためのトルク電流増減値を補正する。
平坦地判定部70は、圧力センサ29及び傾斜センサ33の出力を受けて、ブーム4、アーム5、バケット6、及び旋回機構2等の作業機構が動作していない状態で、傾斜角が平坦地と傾斜地とを境界付けるための所定値(例えば、5°である。)以上である場合に傾斜地(作業機構の自重による旋回が生じる位置)にあると判定し、傾斜角が所定値(例えば、5°である。)未満である場合に平坦地(作業機構の自重による旋回が生じない位置)にあると判定して、主制御部80に出力する。
主制御部80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、トルク制限部54、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。
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、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累積された偏差の累積値(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。
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80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7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7(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7(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7(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7(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7(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(例えば、操作量が零速度指令領域にある場合である。)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7(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であり、例えば、操作量が零速度指令領域にある場合である。)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7(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、左旋回方向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、左旋回方向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7(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、右旋回方向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、右旋回方向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。
また、主制御部80は、平坦地判定部70による傾斜地であるとの判定結果を受け、且つレバー26Aの操作量が不感帯領域又は零速度指令領域にあることを検出した場合には、図7の制限特性に代えて、許容最大変動幅(加速側)及び許容最大変動幅(制動側)をいずれも零に設定し、トルク制限部53に出力する。
これにより、建設機械が傾斜地にある場合には、PI制御部52によって算出されるトルク電流増減値にかかわらず、トルク制限部53から加算器68に出力される制限後のトルク電流増減値が零となり、駆動指令補正部60から出力される補正用トルク電流増減値によって作業機構の自重による旋回を防止するだけのトルクを発生させる。
トルク制限部54は、加算器68から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。
ここで、トルク制限部54においてトルク電流増減値を制限するための上限値(左旋回用の最大値)及び下限値(右旋回用の最小値)は、このトルク制限部54によってトルク電流増減値の制限が行われた場合であっても、傾斜地で、ブーム4、アーム5、及びブーム6が伸張されて上部旋回体3の慣性モーメントが大きい状態において、ブーム4、アーム5、及びブーム6を斜面の上方に旋回させるために必要十分なトルクを発生できるような値に設定されている。なお、トルク電流増減値を制限するための特性を表すデータは、主制御部80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、駆動指令補正部60、及び主制御部80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。
ところで、上述のように、建設機械が傾斜地にある場合には、慣性モーメントが大きいと上部旋回体3が旋回する可能性がある。
しかしながら、本実施の形態の旋回駆動制御装置では、駆動指令補正部60によってトルク電流増減値を補正するため、このような旋回操作方向とは逆方向の旋回を減じることができる。以下、駆動指令補正部60について説明する。
「駆動指令補正部60」
駆動指令補正部60は、補正用零速度指令生成部61、減算器62、PI制御部63、リレー64、トルク電流指令修正部65、リレー66、トルク電流指令修正部67、及び加算器68を含み、上述のような操作装置26に入力される旋回操作方向とは逆方向の旋回が生じた場合に、これを減じるために旋回用電動機21を駆動するためのトルク電流増減値を補正する演算処理部である。
駆動指令補正部60は、補正用零速度指令生成部61、減算器62、PI制御部63、リレー64、トルク電流指令修正部65、リレー66、トルク電流指令修正部67、及び加算器68を含み、上述のような操作装置26に入力される旋回操作方向とは逆方向の旋回が生じた場合に、これを減じるために旋回用電動機21を駆動するためのトルク電流増減値を補正する演算処理部である。
補正用零速度指令生成部61は、補正用の零速度指令(rad/s)を出力する。この補正用の零速度指令は、駆動指令生成部50で演算されるトルク電流増減値が足りない場合に、このトルク電流増減値を補正するための補正用のトルク電流増減値(以下、補正用トルク電流増減値)を生成するための速度指令である。補正用零速度指令生成部61は、レバー26Aの操作量が零速度指令領域、左方向旋回駆動領域、及び右方向旋回駆動領域にある間は、常に補正用の零速度指令を出力する。
減算器62は、補正用零速度指令生成部61から入力される補正用の零速度指令の値(以下、補正用零速度指令値)から回転速度の値(以下、回転速度値)を減算する。減算によって得られる偏差は、PI制御部63に入力される。
PI制御部63は、減算器62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(すなわち、補正用零速度指令生成部61から入力される補正用零速度指令値を目標値として回転速度を零に近づけるように)PI制御を行い、駆動指令生成部50によって生成されるトルク電流増減値を補正するための補正用トルク電流増減値を生成する。
ここで、PI制御部63の制御ゲインは、PI制御部52の制御ゲインに比べて大きく設定される。PI制御部52は、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する駆動指令生成部50に含まれるため、制御ゲイン(比例ゲイン及び/又は積分ゲイン)をあまり大きくすると、オーバーシュートの原因になる可能性があるため好ましくない。
しかしながら、PI制御部63は、駆動指令生成部50に送るための補正用トルク電流増減値を演算するため、制御ゲイン(比例ゲイン及び/又は積分ゲイン)を大きくしてもオーバーシュートの原因にはなりにくく、逆方向の旋回動作を迅速に抑制することができる。このため、例えば、PI制御部52に対して、PI制御部63の比例ゲインを4倍程度に、かつ、積分ゲインを10倍程度に設定してもよい。
リレー64は、操作レバー26Aによって左旋回が指定された場合に閉成され、これによりトルク電流指令修正部65が選択される。このリレー64の開閉制御は、主制御部80によって行われる。
トルク電流指令修正部65は、旋回操作方向(左旋回)と上部旋回体3の旋回方向の異同に基づき、必要に応じてPI制御部63から送られる補正用トルク電流増減値を修正する修正処理を行う。この修正処理では、図8に示す特性を用いる。なお、上部旋回体3の旋回方向は、旋回用電動機21の回転方向より得られる。
図8は、本実施の形態の旋回駆動制御装置におけるトルク電流指令修正部65及び67の入出力特性を示す図であり、図8(A)は左旋回用の修正特性、図8(B)は右旋回用の修正特性を表す。
ここで、図8(A)及び(B)の横軸は、PI制御部63からリレー64及び66を介してトルク電流指令修正部65及び67に入力される補正用トルク電流増減値の値を表す。この入力値(補正用トルク電流増減値)は、減算器62において補正用零速度指令値から回転速度値を減算して得られる偏差に基づいてPI制御部63で演算されるため、上部旋回体3が左方向に旋回している場合に負の値をとる。これは、左旋回を表す回転速度は正の値であるが、減算器62で補正用零速度指令値から減算されて正負が反転して負の値になり、さらにPI制御部63で右方向への駆動トルクを発生させるために負の値を有する補正用トルク電流増減値を生成するからである。
同様に、トルク電流指令修正部65及び67の入力値は、上部旋回体3が右方向に旋回している場合に正の値をとる。これは、右旋回を表す回転速度は負の値であるが、減算器62で補正用零速度指令値から減算されて正負が反転して正の値になり、さらにPI制御部63で左方向への駆動トルクを発生させるために正の値を有する補正用トルク電流増減値を生成するからである。
このため、図8(A)及び(B)では、トルク電流指令修正部65及び67の入力値を表す横軸が負の場合が上部旋回体3の左方向の旋回に対応し、横軸が正の場合が上部旋回体3の右方向の旋回に対応する。
また、図8(A)、(B)の縦軸は、トルク電流指令修正部65及び67から出力される修正後の補正用トルク電流増減値を表し、図4と同様に、上部旋回体3を左旋回方向へ旋回させるための補正用トルク電流増減値を正の値で表し、右旋回方向へ旋回させるための補正用トルク電流増減値を負の値で表す。
なお、図8(A)及び(B)の特性を表すデータは、主制御部80の内部メモリに格納されており、トルク電流指令修正部65及び67によって読み出される。
図8(A)に示すように、左旋回用の修正特性は、上部旋回体3が左方向に旋回している際には(修正特性の縦軸より左側の領域では)出力値が零となる特性を有する。また、上部旋回体3が右方向に旋回している際には(修正特性の縦軸より右側の領域では)入出力値の比(出力値/入力値)が「1」になる特性を有する。
レバー26Aによって左方向の旋回操作が行われているときに、上部旋回体3が左方向に旋回しているときは、駆動指令生成部50の内部で生成されるトルク電流増減値だけで十分であり、補正用トルク電流増減値は不要である。
このため、トルク電流指令修正部65で用いる入出力特性は、図8(A)に示すように、入力値が(左旋回を表す)負の値である場合は、PI制御部63から入力される補正用トルク電流増減値を零にする特性となっている。トルク電流指令修正部65は、この特性を用いて、旋回操作方向(左旋回)と上部旋回体3の旋回方向が同一の場合は、PI制御部63で演算される補正用トルク電流増減値を零に修正する。
一方、レバー26Aによって左方向の旋回操作が行われているときに、上部旋回体3が右方向に逆旋回しているときは、駆動指令生成部50の内部で生成されるトルク電流増減値だけでは不十分であるため、右方向(逆方向)への旋回動作を減じるために、PI制御部63で演算される補正用トルク電流増減値を駆動指令生成部50に送る必要がある。
このため、トルク電流指令修正部65で用いる入出力特性は、図8(A)に示すように、入力値が(右旋回を表す)正の値である場合は、補正用トルク電流増減値を出力するために、入力値に対する出力値の比(出力値/入力値)が「1」の特性となっている。これにより、PI制御部63から入力される補正用トルク電流増減値と等しい値の補正用トルク電流増減値がトルク電流指令修正部65から出力される。なお、ここでは入出力比が「1」の場合について説明するが、この入出力比は零(0)以外の値であれば、制御系内のゲイン等に応じて任意に設定することができる値である。
トルク電流指令修正部65は、この特性を用いて、旋回操作方向(左旋回)と上部旋回体3の旋回方向が異なる場合は、PI制御部63から入力される補正用トルク電流増減値と等しい値の補正用トルク電流増減値を駆動指令生成部50の加算器68に送る。
なお、旋回操作方向と旋回用電動機21の回転方向の異同の判定は、主制御部80によって行われる。
リレー66は、操作レバー26Aによって右旋回が指定された場合に閉成され、これによりトルク電流指令修正部67が選択される。このリレー66の開閉制御は、主制御部80によって行われる。
トルク電流指令修正部67は、旋回操作方向(右旋回)と上部旋回体3の旋回方向の異同に基づき、必要に応じてPI制御部63から入力される補正用トルク電流増減値を修正する修正処理を行う。この修正処理では、図8(B)に示す特性を用いる。なお、上部旋回体3の旋回方向は、レゾルバ22の検出値により得られる。
図8(B)に示すように、右旋回用の修正特性は、上部旋回体3が左方向に旋回している際には(修正特性の縦軸より左側の領域では)入出力値の比(出力値/入力値)が「1」になる特性を有する。また、上部旋回体3が右方向に旋回している際には(修正特性の縦軸より右側の領域では)出力値が零となる特性を有する。
修正処理の内容は、左右の方向が異なるだけでトルク電流指令修正部65と基本的に同一である。トルク電流指令修正部67は、旋回操作方向(右旋回)と上部旋回体3の旋回方向が同一である場合は、駆動指令生成部50の内部で生成されるトルク電流指令だけで十分であり、補正用トルク電流増減値は不要であるため、トルク電流指令修正部67は、PI制御部63で演算される補正用トルク電流増減値を零に修正する。
このため、トルク電流指令修正部67で用いられる入出力特性は、図8(B)に示すように、入力値が(右旋回を表す)正の値である場合は、PI制御部63から入力される補正用トルク電流増減値を零にする特性を有する。
一方、旋回操作方向(右旋回)と上部旋回体3の旋回方向が異なる場合は、駆動指令生成部50の内部で生成されるトルク電流増減値だけでは不十分であるため、左方向(逆方向)への旋回動作を減じるために、PI制御部63で演算される補正用トルク電流増減値を駆動指令生成部50に送る必要がある。
このため、トルク電流指令修正部67で用いられる入出力特性は、図8(B)に示すように、入力値が(左旋回を表す)負の値である場合は、補正用トルク電流増減値を出力するために、入力値に対する出力値の比(出力値/入力値)が「1」の特性となっている。これにより、PI制御部63から入力される補正用トルク電流増減値と等しい値の補正用トルク電流増減値がトルク電流指令修正部65から出力される。なお、ここでは入出力比が「1」の場合について説明するが、この入出力比は零(0)以外の値であれば、制御系内のゲイン等に応じて任意に設定することができる値である。
トルク電流指令修正部67は、この特性を用いて、PI制御部63で演算される補正用トルク電流増減値と等しい値の補正用トルク電流増減値を駆動指令生成部50の加算器68に送る。
なお、旋回操作方向と旋回用電動機21の回転方向の異同の判定は、主制御部80によって行われる。
加算器68は、旋回操作方向と上部旋回体3の旋回方向とが異なる場合にトルク電流指令修正部65又はトルク電流指令修正部67から入力される補正用トルク電流増減値と、トルク制限部53から送られるトルク電流増減値とを加算する。この加算処理によって駆動指令生成部50によって生成されるトルク電流増減値が補正される。
なお、リレー64及び66は、レバー26Aによって旋回方向が指定されることによって閉成されるリレーであり、旋回方向が指定されていない場合は開放される。
「駆動指令補正部60による補正が行われない場合の旋回操作(比較例)」
ここで、比較のために、駆動指令補正部60による補正が行われない場合の旋回操作(すなわち、図4の変換特性による速度指令のみによる旋回動作)について説明する。
ここで、比較のために、駆動指令補正部60による補正が行われない場合の旋回操作(すなわち、図4の変換特性による速度指令のみによる旋回動作)について説明する。
平坦地において、停止状態からレバー26Aが左旋回方向に操作されて行くと、不感帯領域を越えて零速度指令領域に切り替わる際に、メカニカルブレーキ23が解除されるとともに、速度指令変換部31から出力される零速度指令が駆動指令生成部50に入力される。零速度指令が入力されると、旋回用電動機21の回転軸21Aが回転して旋回動作検出部58から回転速度を表すデータが出力されて減算器51から回転速度の偏差が出力されても、この回転速度の偏差を零にするように旋回用電動機21が駆動制御され、回転軸21Aが停止状態に保持される。
さらに、レバー26Aが操作されることにより、速度指令特性が零速度指令領域を越えて左旋回駆動領域に切り替わると、速度指令変換部31から出力される速度指令に基づくトルク電流増減値が駆動指令生成部50から出力される。これにより、速度指令変換部31から出力される速度指令を目標値とした駆動制御が行われ、旋回用電動機21の回転軸21Aが駆動されて上部旋回体3が左方向に旋回する。
また、平坦地で上部旋回体3が左方向に旋回している状態でレバー26Aの操作量を減じて行き、速度指令特性が左方向旋回駆動領域から零速度指令領域に切り替わると、零速度指令によって旋回用電動機21の回転軸21Aが停止状態に保持される。
さらに、レバー26Aの操作量を減じて行き、速度指令特性が零速度指令領域から不感帯領域に切り替わると、メカニカルブレーキ23が掛かるとともに、速度指令変換部31から駆動指令は出力されなくなり、駆動指令生成部50は駆動制御を行わなくなる。これにより、旋回用電動機21の回転軸21Aは機械的に停止された状態となる。
具体的には、旋回駆動制御装置40は、零速度継続時間が継続時間閾値を超え、且つ、不感帯領域滞留時間が滞留時間閾値を超えた場合に、完全停止判定を行い、メカニカルブレーキ23を作動させるようにする。
零速度継続時間が経過する前に回転軸21Aの回転速度が零速度検出閾値を上回った場合には、旋回駆動制御装置40は、零速度継続時間のカウントをリセットし、操作レバー26Aの操作量が不感帯領域にあったとしてもメカニカルブレーキ23を作動させることなく、駆動指令生成部50による駆動制御を継続させる。
また、不感帯領域滞留時間が経過する前に操作レバー26Aの操作量が不感帯領域から零速度指令領域へ推移した場合にも、旋回駆動制御装置40は、不感帯領域滞留時間のカウントをリセットし、メカニカルブレーキ23を作動させることなく、駆動指令生成部50による駆動制御を継続させる。
完全停止判定が行われると、旋回駆動制御装置40は、メカニカルブレーキ23に対して制動(オン)信号を出力し、メカニカルブレーキ23を作動させるとともに、速度指令変換部31からの駆動指令の出力を中止させ、且つ、駆動指令生成部50による駆動制御を中止させる。
なお、これら一連の動作は平坦地における右方向の旋回動作においても同様であるため、その説明は省略する。
このように、平坦地では、上述のように運転者がレバー26Aに入力する旋回操作方向に応じた上部旋回体3の旋回駆動が可能である。
また、傾斜地において、重量の大きいブーム4、アーム5、及びバケット6が斜面下方に向かう方向に上部旋回体3を旋回させる場合も、上述の平坦地の場合と同様に旋回を行うことができる。
しかしながら、傾斜地において、重量の大きいブーム4、アーム5、及びバケット6が斜面上方に向かう方向に上部旋回体3を旋回させる場合は、速度指令によって旋回用電動機21の回転軸21Aに生じる駆動トルクよりも、慣性モーメントによって上部旋回体3が逆方向に旋回するトルクの方が大きくなる場合がある。この場合には、重量の大きいブーム4、アーム5、及びバケット6が斜面下方に向かう方向に上部旋回体3が旋回してしまう。
すなわち、傾斜地では、レバー26Aで左方向又は右方向への旋回操作を行い、操作量が零速度指令領域にある場合でも、旋回操作方向とは逆方向に旋回する場合がある。
また、速度指令特性が左方向旋回領域又は右方向旋回領域にある場合でも、旋回用電動機21の回転軸21Aに生じる駆動トルクよりも、慣性モーメントによって上部旋回体3が旋回するトルクの方が大きくなる場合がある。この場合には、上部旋回体3が旋回操作方向とは逆方向(ブーム4、アーム5、及びバケット6が斜面下方に向かう方向)に旋回してしまう。
すなわち、傾斜地では、レバー26Aで左方向又は右方向への旋回操作を行い、操作量が左方向旋回領域又は右方向旋回領域にある場合でも、旋回操作方向とは逆方向に旋回する場合がある。
ところが本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械によれば、駆動指令補正部60によって駆動指令の補正が行われるため、このような旋回操作方向とは逆方向への旋回を減じることができ、さらに動きだしを滑らかにすることができる。以下、その原理を説明する。
「駆動指令補正部60による補正が行われる場合の旋回動作」
次に、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械の平坦地及び傾斜地における旋回動作を説明する。駆動指令補正部60による補正が行われると、比較のために説明した補正が行われない平坦地での旋回動作とは異なり、以下のように旋回操作方向とは逆方向への旋回が減じられる。
次に、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械の平坦地及び傾斜地における旋回動作を説明する。駆動指令補正部60による補正が行われると、比較のために説明した補正が行われない平坦地での旋回動作とは異なり、以下のように旋回操作方向とは逆方向への旋回が減じられる。
傾斜地において、重量の大きいブーム4、アーム5、及びバケット6が左方向の旋回を行うことで斜面上方に向かう方向に上部旋回体を旋回させる際の動作について説明する。
運転者によるレバー26Aの操作により左旋回が指定されると、レバー26Aの操作量が図4に示す零速度指令領域に入ってメカニカルブレーキ23が解除される。この状態で、旋回動作検出部58によって右方向(逆方向)の旋回が検出されると、減算器62から回転速度の偏差(正の値)が出力され、この偏差に基づいてPI制御部63で正の値を有する補正用トルク電流増減値が演算される。この補正用トルク電流増減値は、トルク電流指令修正部65に入力され、この入力値と等しい値を有する補正用トルク電流増減値がトルク電流指令修正部65から出力され、加算器68においてトルク制限部53から出力されるトルク電流増減値(主制御部80により許容最大変動幅(加速側)及び許容最大変動幅(制動側)が何れも零に設定されるため、零である。)と加算される。
ここで、上部旋回体3の慣性力によって右方向(逆方向)へ動き出す際には、減算器62から出力される偏差は増大する。このため、トルク電流指令修正部65から出力される出力値も右方向(逆方向)への動きだしの際には増大し、トルク制限部53から出力されるトルク電流増減値も増大する(図8(A))。そして、旋回用電動機21の駆動トルクが増大すると、上部旋回体3を左方向(正方向)へ旋回させようとする力が大きくなるため、上部旋回体3の右方向(逆方向)への旋回速度は低下し始める。これにより、減算器62からの偏差は徐々に減少し、トルク電流指令修正部65から出力される補正用トルク電流増減値も徐々に小さくなる。このようにして右方向(逆方向)への旋回動作が減じられる。
なお、逆方向への旋回が停止するのは、旋回用電動機21の駆動軸に発生する駆動トルクと上部旋回体3の重力が吊り合うときである。この吊り合いの位置は、傾斜角や上部旋回体3の慣性モーメントによって決まり、レバー26Aの操作量が零速度指令領域内にあるときに吊り合いが取れるようにする。
その後、運転者がレバー26Aの操作量を増やし、左方向旋回駆動領域に移行させると、主制御部80によりトルク制限部53に対して図7に基づく許容最大変動幅(加速側)及び許容最大変動幅(制動側)が出力され、トルク制限部53は、PI制御部52から出力されるトルク電流増減値を制限して加算器68に出力するようになる。
そして、トルク制限部53におけるトルク電流増減値の許容最大変動幅(加速側)が、レバー26Aの操作量の増大に従い徐々に大きくなり(図7(A))、一方で、トルク電流指令修正部65が出力する補正用トルク電流増減値が零となるので(図8(A))、旋回駆動制御装置40は、滑らかに左方向への旋回動作を行うことができる。
なお、傾斜地において、重量の大きいブーム4、アーム5、及びバケット6が斜面上方に向かう方向に上部旋回体3を旋回させるために、右方向の旋回を行う場合は、上述の動作説明において左右を入れ替えた内容となるため、省略する。
以上より、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械によれば、旋回操作方向とは逆方向の上部旋回体3の旋回が検出されても、駆動指令補正部60で生成される補正用トルク電流増減値によって旋回用電動機21の駆動トルクが迅速に調整されるため、傾斜地でブーム4等の重量物が斜面上方に移動するように上部旋回体3を旋回させようとした場合に、上部旋回体3の慣性モーメントが大きくても、旋回操作方向とは逆方向への旋回を減じることができる。これにより、動き出しの滑らかな旋回動作を実現できる旋回駆動制御装置及び建設機械を提供することができる。
なお、本実施の形態のように駆動指令補正部60を備えることなく、PI制御部52におけるPI制御のゲインを増大させることによって旋回操作方向とは逆方向の旋回動作を減じる手法も考えられる。しかしながら、このような手法では、増大されたゲインを用いたPI制御により、速度指令(運転者の入力)に基づいてトルク電流増減値が演算されることになるため、PI制御におけるオーバーシュートが生じ、回転速度が目標値に収束しにくくなり、これにより滑らかな旋回動作が実現しにくくなるという課題がある。
これに対して、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械によれば、上述のように、駆動指令生成部50におけるPI制御のゲインを増大させることなく、駆動指令補正部60で演算される補正用トルク電流増減値によって旋回操作方向とは逆方向の旋回動作が減じられるため、動き出しの滑らかな旋回動作と良好な乗り心地を提供することができる。
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、駆動指令補正部60が補正用零速度指令生成部61を含み、補正用トルク電流増減値を演算するための補正用零速度指令が駆動指令補正部60の内部で生成される形態について説明したが、駆動指令補正部60が補正用零速度指令生成部61を含まずに、駆動指令補正部60の外部から補正用零速度指令が供給されるように構成されていてもよい。
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。
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、58・・・旋回動作検出部、60・・・駆動指令補正部、61・・・補正用零速度指令生成部、62・・・減算器、63・・・PI制御部、64、66・・・リレー、65、67・・・トルク電流指令修正部、68・・・加算器、70・・・平坦地判定部、80・・・主制御部
Claims (6)
- 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、
前記操作部に入力される旋回操作方向とは逆方向の旋回動作が前記旋回動作検出部によって検出されると、当該旋回操作方向とは逆方向の旋回動作の度合いに応じて、前記旋回操作方向とは逆方向の旋回動作を減じるように前記トルク指令値を補正するための補正用トルク指令値を生成する駆動指令補正部と、
当該建設機械の水平面に対する傾斜角を検出する傾斜角検出部と、を備え、
前記傾斜角検出部により検出された傾斜角が平坦地と傾斜地とを境界付けるための所定値以上であって前記操作部の操作量が所定範囲にある場合に、前記フィードバック制御部により生成されるトルク指令値を零として、前記駆動指令補正部により生成された補正用トルク指令値により前記電動機を駆動制御する、
ことを特徴とする旋回駆動制御装置。 - 所定のトルク指令制限値と前記フィードバック制御部により生成されるトルク指令値とを比較し、前記トルク指令値が前記トルク指令制限値を超える場合に、前記トルク指令値を前記トルク指令制限値の大きさに制限するトルク制限部を更に備え、
前記トルク制限部は、前記トルク指令制限値を零に設定することにより、前記トルク指令値を零とする、
請求項1に記載の旋回駆動制御装置。 - 前記駆動指令補正部は、前記電動機の回転速度を零にするための零速度指令値と、前記旋回動作検出部によって検出される前記逆方向の旋回動作の度合いとに基づいて前記トルク指令値を補正するための補正用トルク指令値を生成する、
請求項1又は2に記載の旋回駆動制御装置。 - 前記駆動指令補正部は、前記零速度指令値と、前記旋回動作検出部によって検出される旋回動作の度合いを表す値とに基づいて補正用トルク指令値を生成し、該補正用トルク指令値を前記トルク制限部によって制限されたトルク指令値に加算するように構成されており、
前記旋回動作検出部によって検出される旋回動作の方向が前記旋回操作方向と逆方向である場合は、前記補正用トルク指令値を前記トルク制限部によって制限されたトルク指令値に加算し、前記旋回動作検出部によって検出される旋回動作の方向が前記旋回操作方向と同一方向である場合は、前記トルク制限部によって制限されたトルク指令値に加算する前記補正用トルク指令値を零にする、
請求項2に記載の旋回駆動制御装置。 - 前記操作部の操作量の所定範囲は、前記速度指令変換部が零速度指令を出力する範囲として規定される、
請求項1乃至4の何れか一項に記載の旋回駆動制御装置。 - 請求項1乃至5の何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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-
2008
- 2008-12-26 JP JP2008333251A patent/JP2010150898A/ja active Pending
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