JP2011078277A - 電動式建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でオートアイドル制御を行うことができ、且つ制御調整の負担を軽減することができる電動式建設機械を提供する。
【解決手段】インバータ装置２９は、通常モード中、回転数指示装置２８で指示された目標回転数に対応する閾値を読込み、永久磁石同期モータ３０の一次電流が閾値より小さくなる状態で所定時間が経過したか否かを判定し、これによって全ての油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態であるか否かを判断する。そして、永久磁石同期モータ３０の一次電流が閾値未満となる状態で所定時間が経過したと判定された場合は、通常モードからアイドルモードに切替えて、ローアイドル回転数となるように、永久磁石同期モータ３０の印加電圧を制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、永久磁石同期モータによって油圧ポンプを駆動する電動式建設機械に係わり、特に、ベクトル制御演算を用いて永久磁石同期モータの印加電圧を制御するインバータ手段を有する電動式建設機械に関する。

建設機械の一つである油圧ショベルは、エンジンを搭載したものが知られている。この油圧ショベルは、例えば、エンジンによって駆動する油圧ポンプと、複数の油圧アクチュエータ（詳細には、例えばブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダ、旋回用油圧モータ、及び走行用油圧モータ等）と、複数の油圧アクチュエータの動作をそれぞれ指示する複数の操作手段（詳細には、例えば操作レバーの操作位置に対応する油圧操作信号を出力する操作手段）と、これら複数の操作手段の操作に応じて油圧ポンプから複数の油圧アクチュエータへの圧油の流れをそれぞれ制御する複数のコントロールバルブと、エンジンの目標回転数を指示する回転数指示手段と、この回転数指示手段で指示された目標回転数となるように、エンジンの燃料噴射量を制御するガバナとを備えている。

ここで、エンジンの燃料消費の低減を図るため、全ての油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態である場合に、エンジン回転数を予め設定されたローアイドル回転数に低下させ、その後、いずれかの油圧アクチュエータが動作するような負荷が生じる場合に、エンジン回転数を復帰させるオートアイドル制御が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の従来技術では、全ての操作手段の操作位置若しくは全てのコントロールバルブの切換位置が中立位置にあるか否かを検出・判定し（すなわち、前述した低負荷状態であるか否かを判断し）、中立位置にある場合は、ローアイドル回転数となるように、エンジンの燃料噴射量を制御するようになっている。

特開平６−２５７１８４号公報

近年、排気ガスを排出せず、騒音及び振動も大幅に低減する利点を有することから、エンジンの代わりに電動モータ（交流モータ）を搭載した電動式油圧ショベルが提唱されている。この電動式油圧ショベルは、例えば、電動モータによって駆動する油圧ポンプと、複数の油圧アクチュエータと、複数の油圧アクチュエータの動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、これら複数の操作手段の操作に応じて油圧ポンプから複数の油圧アクチュエータへの圧油の流れをそれぞれ制御する複数のコントロールバルブと、エンジンの目標回転数を指示する回転数指示手段と、この回転数指示手段で指示された目標回転数となるように電動モータの印加電圧を制御するインバータ手段とを備えている。

そして、このような電動式油圧ショベルにおいても、電動モータの電力消費の低減を図るため、特許文献１に記載のようなオートアイドル制御を行うことが好ましい。すなわち、例えば、複数の操作装手段の操作位置若しくは複数のコントロールバルブの切換位置が中立位置にあるか否かを検出・判定し（すなわち、前述した低負荷状態であるか否かを判断し）、中立位置にある場合は、ローアイドル回転数となるように、電動モータの電圧を制御するような構成が考えられる。しかし、このような構成においては、以下のような改善の余地が存在する。すなわち、低負荷状態の判断要因となる状態量（操作手段の操作位置若しくはコンロールバルブの切換位置）が操作手段若しくはコントロールバルブの数に対応して多くなることから、それらの検出・判定手段の構成が多くなるか若しくは複雑化する（詳細には、例えばセンサ類が多くなるか、若しくはセンサ類を少なくするための検出構造が複雑化する）。また、検出・判定誤差に影響する要因が多くなってしまい、制御調整の負担が大きくなる。

本発明の目的は、簡素な構成でオートアイドル制御を行うことができ、且つ制御調整の負担を軽減することができる電動式建設機械を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータによって駆動する油圧ポンプと、複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータの動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、前記複数の操作手段の操作に応じて前記油圧ポンプから前記複数の油圧アクチュエータへの圧油の流れをそれぞれ制御する複数のコントロールバルブと、前記永久磁石同期モータの目標回転数を指示する回転数指示手段と、少なくとも前記永久磁石同期モータの一次電流若しくはこれを推定するための状態量を検出する検出手段と、通常モードでは、前記回転数指示手段で指示された目標回転数となるように、ベクトル制御演算を用いて前記検出手段の検出結果に基づき前記永久磁石同期モータの印加電圧を制御するインバータ手段とを有する電動式建設機械であって、前記永久磁石同期モータの回転数毎に予め設定されて、前記複数の油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態における前記永久磁石同期モータの一次電流に対し所定値を加えた閾値を記憶する記憶手段と、前記通常モード中、前記目標回転数指示手段で指示された目標回転数に対応する閾値を前記記憶手段から読込み、この読込んだ閾値より前記永久磁石同期モータの一次電流が小さくなる状態で所定時間が経過したか否かを判定し、これによって前記低負荷状態であるか否かを判断する第１の判定手段と、前記第１の判定手段にて前記永久磁石同期モータの一次電流が閾値未満となる状態で所定時間が経過したと判定された場合に、前記通常モードからアイドルモードに切替えるモード切替手段とを有し、前記インバータ手段は、前記アイドルモードでは、予め設定されたローアイドル回転数となるように、ベクトル制御演算を用いて前記検出手段の検出結果に基づき前記永久磁石同期モータの印加電圧を制御する。

このような本発明においては、永久磁石同期モータにかかるポンプ負荷と永久磁石同期モータの一次電流とが比例的な関係にあることから、記憶手段は、永久磁石同期モータの回転数毎に予め設定されて、全ての油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態における永久磁石同期モータの一次電流に対し所定値を加えた閾値を記憶する。そして、第１の判定手段は、通常モード中、目標回転数指示手段で指示された目標回転数に対応する閾値を記憶手段から読込み、永久磁石同期モータの一次電流が閾値より小さくなる状態で所定時間が経過したか否かを判定し、これによって低負荷状態であるか否かを判断する。これにより、例えば複数の操作手段の操作位置若しくは複数のコントロールバルブの切換位置が中立位置にあるか否かを検出・判定し、これによって低負荷状態であるか否かを判断するような場合と比べ、低負荷状態の判断要因となる状態量を少なくすることができる。したがって、状態量の検出・判定手段の構成を簡素化することができる。また、検出・判定誤差に影響する要因を少なくすることができ、制御調整の負担を軽減することができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記アイドルモード中、前記ローアイドル回転数に対応する閾値を前記記憶手段から読込み、この閾値より前記永久磁石同期モータの一次電流が大きいか否かを判定し、これによって前記複数の油圧アクチュエータのうちのいずれかが動作するような負荷が生じたか否かを判断する第２の判定手段を有し、前記モード切替手段は、前記第２の判定手段にて前記永久磁石同期モータの一次電流が閾値以上であると判定された場合に、前記アイドルモードから前記通常モードに切替える。

（３）上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータによって駆動する油圧ポンプと、複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータの動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、前記複数の操作手段の操作に応じて前記油圧ポンプから前記複数の油圧アクチュエータへの圧油の流れをそれぞれ制御する複数のコントロールバルブと、前記永久磁石同期モータの目標回転数を指示する回転数指示手段と、少なくとも前記永久磁石同期モータの一次電流若しくはこれを推定するための状態量を検出する検出手段と、通常モードでは、前記回転数指示手段で指示された目標回転数となるように、ベクトル制御演算を用いて前記検出手段の検出結果に基づき前記永久磁石同期モータの印加電圧を制御するインバータ手段とを有する電動式建設機械であって、前記ベクトル制御演算の過程で前記永久磁石同期モータの発生トルクを演算するトルク演算手段と、前記永久磁石同期モータの回転数毎に予め設定されて、前記複数の油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態における前記永久磁石同期モータの発生トルクに対し所定値を加えた閾値を記憶する記憶手段と、前記通常モード中、前記目標回転数指示手段で指示された目標回転数に対応する閾値を前記記憶手段から読込み、この読込んだ閾値より前記永久磁石同期モータの発生トルクが小さくなる状態で所定時間が経過したか否かを判定し、これによって前記低負荷状態であるか否かを判断する第１の判定手段と、前記第１の判定手段にて前記永久磁石同期モータの発生トルクが閾値未満となる状態で所定時間が経過したと判定された場合に、前記通常モードからアイドルモードに切替えるモード切替手段とを有し、前記インバータ手段は、前記アイドルモードでは、予め設定されたローアイドル回転数となるように、ベクトル制御演算を用いて前記検出手段の検出結果に基づき前記永久磁石同期モータの印加電圧を制御する。

このような本発明においては、記憶手段は、永久磁石同期モータの回転数毎に予め設定されて、全ての油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態における永久磁石同期モータの発生トルクに対し所定値を加えた閾値を記憶している。そして、第１の判定手段は、通常モード中、目標回転数指示手段で指示された目標回転数に対応する閾値を記憶手段から読込み、ベクトル制御演算の過程で得られた永久磁石同期モータの発生トルクが閾値より小さくなる状態で所定時間が経過したか否かを判定し、これによって低負荷状態であるか否かを判断する。これにより、上記（１）と同様、低負荷状態の判断要因となる状態量を少なくすることができる。したがって、簡素な構成でオートアイドル制御を行うことができ、且つ制御調整の負担を軽減することができる。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記アイドルモード中、前記ローアイドル回転数に対応する閾値を前記記憶手段から読込み、この読込んだ閾値より前記永久磁石同期モータの発生トルクが大きいか否かを判定し、これによって前記複数の油圧アクチュエータのうちのいずれかが動作するような負荷が生じたか否かを判断する第２の判定手段を有し、前記モード切替手段は、前記第２の判定手段にて前記永久磁石同期モータの発生トルクが閾値以上であると判定された場合に、前記アイドルモードから前記通常モードに切替える。

（５）上記（１）又は（３）において、好ましくは、前記ベクトル制御演算の過程で前記永久磁石同期モータの実回転数を演算する回転数演算手段と、前記アイドルモード中、前記ローアイドル回転数から所定値を減じた閾値より前記永久磁石同期モータの実回転数が小さいか否かを判定し、これによって前記複数の油圧アクチュエータのうちのいずれかが動作するような負荷が生じたか否かを判断する第２の判定手段とを有し、前記モード切替手段は、前記第２の判定手段にて前記永久磁石同期モータの回転数が閾値以下であると判定された場合に、前記アイドルモードから前記通常モードに切替える。

本発明によれば、簡素な構成でオートアイドル制御を行うことができ、且つ制御調整の負担を軽減することができる。

本発明の適用対象である電動式油圧ショベルの全体構造を表す側面図である。 本発明の適用対象である電動式油圧ショベルの油圧駆動装置の構成を表す油圧回路図である。 本発明の第１の実施形態におけるインバータ装置の構成を関連機器とともに表すブロック図である。 本発明の第１の実施形態におけるインバータ装置の演算制御部の機能的構成を関連機器とともに表すブロック図である。 本発明の第１の実施形態におけるモード切替制御の処理内容を表すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態における回転数とモータ電流の閾値との関係を表す図である。 本発明の第１の実施形態におけるモータ電流の経時変化を一例として表す図である。 本発明の一変形例におけるモード切替制御の処理内容を表すフローチャートである。 本発明の一変形例における回転数とモータトルクの閾値との関係を表す図である。 本発明の第２の実施形態におけるインバータ装置の構成を関連機器とともに表すブロック図である。 本発明の第２の実施形態におけるインバータ装置の演算制御部の機能的構成を関連機器とともに表すブロック図である。

以下、本発明の適用対象として電動式油圧ショベルを例にとり、本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の適用対象である電動式油圧ショベルの全体構造を表す側面図である。

この図１において、電動式油圧ショベルは、左右の履帯（クローラ）１を備えた下部走行体２と、この下部走行体２の上部に旋回可能に搭載された上部旋回体３と、この上部旋回体３の基礎下部構造をなす旋回フレーム４と、この旋回フレーム４の前部に水平方向に回動可能に取り付けられたスイングポスト５と、このスイングポスト５に上下方向に回動可能に（俯仰可能に）取り付けられた多関節型のフロント作業機６と、旋回フレーム４上の左側に設けられたキャノピータイプの運転室７と、旋回フレーム４上の後側に設けられバッテリ８（後述の図２参照）を収納するバッテリ搭載部９とを備えている。

下部走行体２は、略Ｈ字形状のトラックフレーム１０と、このトラックフレーム１０の左右両側の後端近傍に回転可能に支持された左右の駆動輪１１と、これら左右の駆動輪１１をそれぞれ駆動する左右の走行用油圧モータ１２と、トラックフレーム１０の左右両側の前端近傍に回転可能に支持され、履帯１を介し駆動輪１１の駆動力でそれぞれ回転される左右の従動輪（アイドラ）１３とを備えている。

また、トラックフレーム１０の前側には、排土用のブレード１４が上下動可能に設けられており、ブレード１４は、ブレード用油圧シリンダ（図示せず）により上下動するようになっている。また、トラックフレーム１０の中央部と旋回フレーム４との間には、旋回輪（図示せず）が設けられており、この旋回輪の径方向内側には、下部走行体２に対し旋回フレーム４を旋回させる旋回用油圧モータ（図示せず）が設けられている。

スイングポスト５は、垂直ピン（図示せず）を介して旋回フレーム４に対し水平方向に回動可能となっている。そして、スイング用油圧シリンダ（図示せず）によりスイングポスト５が水平方向に回動し、これによってフロント作業機６が左右にスイングするようになっている。

フロント作業機６は、スイングポスト５に回動可能に連結されたブーム１５と、このブーム１５の先端部に回動可能に結合されたアーム１６と、このアーム１６の先端部に回動可能に結合されたバケット１７とを備えている。そして、ブーム１５、アーム１６、及びバケット１７は、ブーム用油圧シリンダ１８、アーム用油圧シリンダ１９、及びバケット用油圧シリンダ２０により動作するようになっている。

運転室７は、運転者が着座する運転席（座席）２１と、この運転席２１の左側に設けられた左のコンソールボックス２２と、運転席２１の右側に設けられた右のコンソールボックス（図示せず）とを備えている。運転席２１の前方には、左右の走行用油圧モータ１２をそれぞれ駆動し油圧ショベルの前進又は後進走行等をさせるための手でも足でも操作可能な左右の走行用操作レバー２３が設けられている。左の走行用操作レバー２３のさらに左側の足元部分には、オプション用油圧アクチュエータ（例えばブレーカ用油圧モータ）を駆動するためのオプション用操作ペダル（図示せず）が設けられている。右の走行用操作レバー２３のさらに右側の足元部分には、スイング用油圧シリンダを駆動しスイングポスト５（言い換えればフロント作業機６全体）を左右にスイングさせるためのスイング用操作ペダル（図示せず）が設けられている。

左のコンソールボックス２２の前部には、左側又は右側に操作することで旋回用油圧モータを駆動し上部旋回体３を左側又は右側に旋回させるとともに、前側又は後側に操作することでアーム用油圧シリンダ１９を駆動しアーム１６をダンプ又はクラウドさせる十字操作式の旋回・アーム用操作レバー２４と、誤操作防止用のロックレバー２５とが設けられている。右のコンソールボックスの前部には、左側又は右側に操作することでバケット用油圧シリンダ２０を駆動しバケット１７をクラウド又はダンプさせるとともに、前側又は後側に操作することでブーム用油圧シリンダ１８を駆動しブーム１５を下げ又は上げる十字操作式のバケット・ブーム用操作レバー２６（後述の図２参照）と、前側又は後側に操作することでブレード用油圧シリンダを駆動しブレード１４を上下動させるためのブレード用操作レバー（図示せず）が設けられている。

また、右のコンソールボックスには、キースイッチ２７（後述の図３参照）が設けられている。キースイッチ２７は、詳細を図示しないが、キーシリンダ及びこのキーシリンダに挿入可能なキーで構成されており、ＯＦＦ位置、ＯＮ位置、又はＳＴＡＲＴ位置に回転操作可能としている。また、右のコンソールボックスの後部には、前後方向に操作可能な回転数指示レバー（図示せず）を備えた回転数指示装置２８（後述の図３参照）が設けられている。回転数指示装置２８は、回転数指示レバーの操作位置を検出する変位検出器（図示せず）を備え、この変位検出器から回転数指示レバーの操作位置に対応した目標回転数（例えば１０００〜２４００ｒｐｍ）の指示信号が出力されるようになっている。

上述した左右の履帯１、上部旋回体３、スイングポスト５、ブレード１４、ブーム１５、アーム１６、及びバケット１７は、電動式油圧ショベルに備えられた油圧駆動装置により駆動される被駆動部材を構成している。図２は、この油圧駆動装置のうち、ブーム１４に係わる要部構成を例にとって表す油圧回路図である。

この図２において、バッテリ８（例えばリチウム電池）からの直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ装置２９と、このインバータ装置２９からの交流電力によって駆動する永久磁石同期モータ３０と、この永久磁石同期モータ３０によって駆動する油圧ポンプ３１及びパイロットポンプ３２と、ブーム用油圧シリンダ１８と、油圧ポンプ３１からブーム用油圧シリンダ１８への圧油の流れを制御するブーム用コントロールバルブ３３と、前側又は後側に操作することでブーム１４の動作（言い換えれば、ブーム用油圧シリンダ１８の動作）を指示するバケット・ブーム用操作レバー２６を備えた油圧パイロット式の操作装置３４と、パイロットポンプ３２からの元圧を遮断可能とするロックバルブ３５とが設けられている。

ロックバルブ３５は、パイロットポンプ３２と操作装置３４との間の油圧管路に設けられており、上述したロックレバー２５の操作に応じて切換えられて油圧管路を連通・遮断可能とするものである。すなわち、ロックレバー２５を下降位置（下げた状態）に引き下げると、ロックバルブ３５のソレノイド駆動部３５ａが通電されて、ロックバルブ３５が図中左側に示す連通位置に切換えられる。これにより、パイロットポンプ３２からの元圧が操作装置３４へ導かれるようになっている。一方、ロックレバー２５を上昇位置（上げた状態）に引き上げると、ロックバルブ３５のソレノイド駆動部３５ａが通電されず、バネ３５ｂの付勢力で、ロックバルブ３５が図中右側に示す遮断位置に切換えられる。これにより、パイロットポンプ３５からの元圧が遮断されるようになっている。なお、ロックレバー２５には、アンロック位置であるか否かを検出するロックスイッチ３６（後述の図３参照）が設けられている。

操作装置３４は、操作レバー２６の前後方向の操作量に応じてパイロットポンプ３２からの元圧（１次パイロット圧）を減圧した油圧操作信号（２次パイロット圧）を出力する一対の減圧弁３４ａ，３４ｂを備えている。そして、例えば操作レバー２６を前側（図中矢印Ａ方向）に操作すると、減圧弁３４ａで生成した油圧操作信号がブーム用コントロールバルブ３３のパイロット操作部３３ａへ出力されて、コントロールバルブ３３が図中右側に示す切換位置に切換えられる。これにより、油圧ポンプ３１から吐出された圧油がブーム用油圧シリンダ１８のロッド側に供給されて、ブーム用油圧シリンダ１８が縮短するようになっている。一方、例えば操作レバー２６を後側（図中矢印Ａ方向とは反対方向）に操作すると、減圧弁３４ｂで生成した油圧操作信号がブーム用コントロールバルブ３３のパイロット操作部３３ｂへ出力されて、ブーム用コントロールバルブ３３が図中左側に示す切換位置に切換えられる。これにより、油圧ポンプ３１から吐出された圧油がブーム用油圧シリンダ１８のボトム側に供給されて、ブーム用油圧シリンダ１８が伸長するようになっている。

なお、図示しないが、他の被駆動部材（左右の履帯１、上部旋回体３、スイングポスト５、ブレード１４、アーム１６、及びバケット１７）に係わる構成も、上記ブーム１５に係わる構成と同様であり、永久磁石同期モータ３０の負荷となっている。

図３は、インバータ装置２９の構成を関連機器とともに表すブロック図である。

この図３において、インバータ装置２９は、バッテリ８からの直流の電圧１５０〜１８０Ｖ程度を２７０Ｖ程度まで昇圧するコンバータ回路３７と、このコンバータ回路３７で昇圧された直流電力から交流電力を生成して永久磁石同期モータ３０に供給するインバータ回路３８と、このインバータ回路３８を制御する演算制御部（マイクロコンピュータ）３９とを有している。

インバータ装置２９の演算制御部３９は、上述したキースイッチ２７、回転数指示装置２８、及びロックスイッチ３６からの信号を入力し、これらの信号に応じてインバータ回路３９を制御し、これによって永久磁石同期モータ３０の印加電圧を制御するようになっている。詳しく説明すると、演算制御部３９は、ロックスイッチ３６からの信号により、ロックレバー２５がアンロック位置にあるか否かを判断し、キースイッチ２７からの信号により、キースイッチがＳＴＡＲＴ位置に操作されたか否かを判断する。そして、例えばロックレバー２５がアンロック位置にあり、かつキースイッチ２７がＳＴＡＲＴ位置に操作されたと判断した場合は、永久磁石同期モータ３０を駆動させる。一方、例えばロックレバー２５がロック位置にあるか又はキースイッチ２７がＯＦＦ位置に操作されたと判断した場合は、永久磁石同期モータ３０を停止させるようになっている。

また、通常モードでは、回転数指示装置２８で指示された目標回転数となるように、ベクトル制御演算を用いて永久磁石同期モータ３０の印加電圧を制御するようになっている。このベクトル制御の詳細を、図４により説明する。

図４は、演算制御部３９の機能的構成を関連機器とともに表すブロック図である。

この図４において、永久磁石同期モータ３０の一次電流（３相交流電流）Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する電流センサ４０及び永久磁石同期モータ３０の磁極位置（ｄ軸位置）θｄを検出する位置センサ４１が設けられており、演算制御部３９は、これら電流センサ４０及び位置センサ４１の検出結果に基づきベクトル制御演算を行うようになっている。

演算制御部３９は、磁極位置θｄに基づき３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する３相／２軸変換部４２と、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑから永久磁石同期モータ３０の発生トルクτを演算するトルク演算部４３と、磁極位置θｄを微分して永久磁石同期モータ３０の実回転数ωを演算する回転数演算部４４と、回転指示装置２８で指示された目標回転数ω０^＊、回転数演算部４４で演算された実回転数ω、及びトルク演算部４３で演算された発生トルクτ等に基づき、回転数指令ω^＊及びトルク指令τ^＊を生成する回転数・トルク指令生成部４５と、ｄ軸電流指令Ｉｄ^＊（通常、Ｉｄ^＊≒０）を生成するｄ軸電流指令生成部４６と、トルク指令τ^＊に基づきｑ軸電流指令Ｉｑ^＊を生成するｑ軸電流指令生成部４７と、ｄ軸電流指令Ｉｄ^＊、ｑ軸電流指令Ｉｑ^＊、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、及び回転数指令ω^＊に基づき、ｄ軸電圧指令Ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令Ｖｑ^＊を演算する電圧指令演算部４８と、磁極位置θｄに基づきｄ軸電圧指令Ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令Ｖｑ^＊を３相交流電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に変換する２軸／３相変換部４９と、３相交流電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊にそれぞれ比例したＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）を生成してインバータ回路３８に出力するＰＷＭ出力部（図示せず）とを有している。

電圧指令演算部４８は、ｄ軸電流指令Ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ^＊が実際の電流となるように、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑをフィードバック制御するようになっている。すなわち、第１のｄ軸電流指令Ｉｄ^＊とｄ軸電流Ｉｄとの偏差に基づいて第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊＊を生成し、第１のｑ軸電流指令Ｉｑ^＊とｑ軸電流Ｉｑとの偏差に基づいて第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊＊を生成する。そして、第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊＊、第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊＊、モータ定数（詳細には、抵抗Ｒ^＊，誘起電圧Ｋe^＊，ｄ軸インダクタンスＬｄ^＊、ｑ軸インダクタンスＬｑ^＊）、及び回転速度指令値ω_＊に基づき、ｄ軸電圧指令Ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令Ｖｑ^＊を演算する（下記の数式１参照）。

トルク演算部４３は、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、誘起電圧Ｋe^＊、ｄ軸インダクタンスＬｄ^＊、及びｑ軸インダクタンスＬｑ^＊に基づき、久磁石同期モータ３０の発生トルクτを演算する（下記の数式２参照）。

回転数・トルク指令生成部４５は、通常モードでは、回転数指示装置２８で指示された目標回転数目標回転数ω０^＊（例えば１０００〜２４００ｒｐｍ）が実際の回転数となるように、実回転数ωをフィードバック制御するようになっている。すなわち、目標回転数ω０^＊と実回転数ωとの偏差に基づいて回転数指令ω^＊を生成する。また、例えば回転数指示装置２８で指示された目標回転数ω０^＊の変化量や、回転数指令ω^＊と実回転数ωとの偏差に基づいて発生トルクτを補正して、トルク指令τ^＊を生成するようになっている。

また、本実施形態の大きな特徴として、回転数・トルク指令生成部４５は、永久磁石同期モータ３０の一次電流（詳細には、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちのいずれか、若しくは平均値等による総合的な判断）に基づき、全ての油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態であるか否かを判断しており、低負荷状態であると判断した場合には、通常モードからアイドルモードに切替えるようになっている。そして、アイドルモードでは、予め設定されたローアイドル回転数（例えば６００ｒｐｍ又は３００ｒｐｍ等）が実際の回転数となるように、実回転数ωをフィードバック制御するようになっている。すなわち、ローアイドル回転数と実回転数ωとの偏差に基づいて回転数指令ω^＊を生成する。また、例えば回転数指令ω^＊と実回転数ωとの偏差に基づいて発生トルクτを補正して、トルク指令τ^＊を生成するようになっている。このようなモード切替制御の詳細手順を図５により説明する。図５は、モード切替制御の処理内容を表すフローチャートである。

この図５において、まずステップ１００では、通常モードとして、回転数指示装置２８で指示された目標回転数ω０^＊が実際の回転数となるように、回転数指令ω^＊及びトルク指令τ^＊を生成する。そして、ステップ１１０に進み、回転数指示装置２８で指示された目標回転数ω０^＊が変化していないか否か（言い換えれば、回転数指示装置２８が操作されていないか否か）を判定する。例えば目標回転数ω０^＊が変化している場合は、ステップ１１０の判定が満たされず、前述のステップ１００に戻って上記同様の手順を行う。一方、例えば目標回転数ω０^＊が変化していない場合は、ステップ１１０の判定が満たされ、ステップ１２０に移る。

ステップ１２０では、目標回転数ω０^＊に対応する永久磁石同期モータ３０の一次電流の閾値（第１閾値）を内部メモリ等の記憶部（図示せず）から読込む。すなわち、永久磁石同期モータ３０にかかる負荷と永久磁石同期モータ３０の一次電流とが比例的な関係にあることから、記憶部には、図６に示すように、永久磁石同期モータ３０の回転数毎に予め設定され、全ての油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態における永久磁石同期モータ３０の一次電流（図中実線で示す）に対し所定値を加えた閾値（図中一点鎖線で示す）が記憶されている。そして、ステップ１３０に進み、永久磁石同期モータ３０の一次電流が第１閾値より小さくなる状態で所定時間（例えば２秒）が経過したか否かを判定し、これによって全ての油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態であるか否かを判断する。例えば永久磁石同期モータ３０の一次電流が第１閾値より小さくなる状態で所定時間が経過していない場合は、ステップ１３０の判定が満たされず、前述のステップ１１０に戻って上記同様の手順を行う。

一方、例えば図７に示すように、永久磁石同期モータ３０の一次電流が第１閾値より小さくなる状態で所定時間が経過した場合は、ステップ１３０の判定が満たされ、ステップ１４０に移る。ステップ１４０では、通常モードからアイドルモードに切替えて、ローアイドル回転数が実際の回転数となるように、回転数指令ω^＊及びトルク指令τ^＊を生成する。そして、ステップ１５０に進み、回転数指示装置２８で指示された目標回転数ω０^＊が変化していないか否か（言い換えれば、回転数指示装置２８が操作されていないか否か）を判定する。例えば目標回転数ω０^＊が変化している場合は、ステップ１５０の判定が満たされず、前述のステップ１００に戻って、アイドルモードから通常モードに切替える。

一方、例えば目標回転数ω０^＊が変化していない場合は、ステップ１５０の判定が満たされ、ステップ１６０に移る。ステップ１６０では、ローアイドル回転数に対応する永久磁石同期モータ３０の一次電流の閾値（第２閾値）を記憶部から読込み、その後、ステップ１７０に進み、永久磁石同期モータ３０の一次電流が第２閾値より小さくなる状態で所定時間（例えば２秒）が経過したか否かを判定し、これによっていずれかの油圧アクチュエータが動作するような負荷が生じたか否かを判断する。例えば永久磁石同期モータ３０の一次電流が第２閾値より小さくなる状態で所定時間が経過していない場合は、ステップ１７０の判定が満たされず、前述のステップ１５０に戻って上記同様の手順を行う。一方、例えば永久磁石同期モータ３０の一次電流が第２閾値より小さくなる状態で所定時間が経過した場合は、ステップ１７０の判定が満たされ、前述のステップ１００に戻って、アイドルモードから通常モードに切替える。

以上のように構成された本実施形態においては、全ての油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態である場合に、通常モードからアイドルモードに切替えて、永久磁石同期モータ３０の回転数をローアイドル回転数に低下させる。これにより、永久磁石同期モータ３０の電力消費の低減を図ることができ、バッテリ８の消耗の低減を図ることができる。また、アイドルモード中、いずれかの油圧アクチュエータが動作するような負荷が生じた場合に、若しくは回転数指示装置２８が操作された場合に、永久磁石同期モータ３０の回転数を目標回転数に復帰させる。これにより、作業効率の低下を防止することができる。

また、本実施形態においては、通常モード中、目標回転数指示装置２８で指示された目標回転数に対応する閾値を読込み、永久磁石同期モータ３０の一次電流が閾値より小さくなる状態で所定時間が経過したか否かを判定し、これによって低負荷状態であるか否かを判断する。これにより、例えば複数の操作手段の操作位置若しくは複数のコントロールバルブの切換位置が中立位置にあるか否かを検出・判定し、これによって低負荷状態であるか否かを判断するような場合と比べ、低負荷状態の判断要因となる状態量を少なくすることができる。したがって、操作装置若しくはコントロールバルブのそれぞれに対応して状態量の検出・判定手段（例えば操作装置からの油圧操作信号を検出・判定する圧力スイッチ等）を設けなくてよいことから、状態量の検出・判定手段の構成を簡素化することができる。また、検出・判定誤差に影響する要因を少なくすることができ、制御調整の負担を軽減することができる。

なお、上記第１の実施形態においては、永久磁石同期モータ３０の一次電流によって低負荷状態であるか否かを判断する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、ベクトル制御演算の過程で得られた状態量、例えば永久磁石同期モータ３０の発生トルクτによって低負荷状態であるか否かを判断してもよい。このような変形例を図８及び図９により説明する。

図８は、本変形例におけるモード切替制御の処理内容を表すフローチャートである。なお、上述の図５で示す処理内容と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本変形例では、インバータ装置２９の内部メモリ等の記憶部には、図９に示すように、永久磁石同期モータ３０の回転数毎に予め設定され、全ての油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態における永久磁石同期モータ３０の発生トルクτ（図中実線で示す）に対し所定値を加えた閾値（図中一点鎖線で示す）が記憶されている。そして、図５のステップ１２０に代わる図８のステップ１８０では、通常モード中、目標回転数ω０^＊に対応する永久磁石同期モータ３０の発生トルクτの閾値（第１閾値）を記憶部から読込む。その後、図５のステップ１３０に代わる図８のステップ１９０に進み、永久磁石同期モータ３０の発生トルクτが第１閾値より小さくなる状態で所定時間（例えば２秒）が経過したか否かを判定し、これによって全ての油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態であるか否かを判断する。例えば永久磁石同期モータ３０の発生トルクτが第１閾値より小さくなる状態で所定時間が経過していない場合は、ステップ１９０の判定が満たされず、ステップ１１０に戻る。一方、例えば永久磁石同期モータ３０の発生トルクτが第１閾値より小さくなる状態で所定時間が経過した場合は、ステップ１９０の判定が満たされ、ステップ１４０に移って、通常モードからアイドルモードに切替える。

また、図５のステップ１６０に代わるステップ２００では、アイドルモード中、ローアイドル回転数に対応する永久磁石同期モータ３０の発生トルクの閾値（第２閾値）を記憶部から読込む。その後、図５のステップ１７０に代わるステップ２１０に進み、永久磁石同期モータ３０の発生トルクτが第２閾値より小さくなる状態で所定時間（例えば２秒）が経過したか否かを判定し、これによっていずれかの油圧アクチュエータが動作するような負荷が生じたか否かを判断する。例えば永久磁石同期モータ３０の発生トルクτが第２閾値より小さくなる状態で所定時間が経過していない場合は、ステップ２１０の判定が満たされず、ステップ１５０に戻る。一方、例えば永久磁石同期モータ３０の発生トルクτが第２閾値より小さくなる状態で所定時間が経過した場合は、ステップ２１０の判定が満たされ、ステップ１００に戻って、アイドルモードから通常モードに切替える。

このような変形例においても、上記第１の実施形態と同様、低負荷状態の判断要因となる状態量を少なくすることができる。したがって、簡素な構成でオートアイドル制御を行うことができ、且つ制御調整の負担を軽減することができる。

また、上記第１の実施形態においては、図５のステップ１６０及び１７０等で説明したように、永久磁石同期モータ３０の一次電流が閾値より小さくなる状態で所定時間が経過した場合に、アイドルモードから通常モードに切替えるような制御を例にとって説明し、上記一変形例においては、図８のステップ２００及び２１０等で説明したように、永久磁石同期モータ３０の発生トルクτが閾値より小さくなる状態で所定時間が経過した場合に、アイドルモードから通常モードに切替えるような制御を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、アイドルモード中、ローアイドル回転数（例えば６００ｒｐｍ又は３００ｒｐｍ等）から所定値（例えば１０ｒｐｍ程度）を減じた閾値より実回転数ωが小さくなったか否かを判定し、これによっていずれかの油圧アクチュエータが動作するような負荷が生じたか否かを判断してもよい。そして、例えば永久磁石同期モータ３０の実回転数ωが閾値より小さくない場合は、ステップ１５０に戻り、一方、例えば永久磁石同期モータ３０の実回転数ωが閾値より小さくなる場合は、ステップ１００に戻って、アイドルモードから通常モードに切替えてもよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図１０及び図１１により説明する。本実施形態は、上述したモード切替制御機能などをインバータ装置から分離するように構成した実施形態である。

図１０は、本実施形態におけるインバータ装置の構成を関連機器とともに表すブロック図である。図１１は、本実施形態におけるインバータ装置の演算制御部の機能的構成を関連機器とともに表すブロック図である。

本実施形態では、インバータ装置２９Ａには、制御系ネットワーク（ＣＡＮ：Controller Area Network）を介して本体制御装置５０が接続されており、この本体制御装置５０に、キースイッチ２７、回転数指示装置２８、及びロックスイッチ３６からの信号が入力される。

本体制御装置５０は、ロックスイッチ３６からの信号により、ロックレバー２５がアンロック位置にあるか否かを判断し、キースイッチ２７からの信号により、キースイッチがＳＴＡＲＴ位置に操作されたか否かを判断する。そして、例えばロックレバー２５がアンロック位置にあり、かつキースイッチ２７がＳＴＡＲＴ位置に操作されたと判断した場合は、永久磁石同期モータ３０の駆動指令をインバータ装置２９Ａに出力する。一方、例えばロックレバー２５がロック位置にあるか又はキースイッチ２７がＯＦＦ位置に操作されたと判断した場合は、永久磁石同期モータ３０の停止指令を出力する。

また、インバータ装置２９Aの演算制御部３９Ａは、上記第１の実施形態におけるインバータ装置２９の演算制御部３９の機能的構成の一部である回転数・トルク指令生成部４５を有しないものであり、本体制御装置５０が回転数・トルク指令生成部４５を有している。すなわち、本体制御装置５０の回転数・トルク指令生成部４５は、インバータ装置２９Ａから永久磁石同期モータ３０の３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、発生トルクτ、及び実回転数ω等の情報が入力されている。また、本体制御装置５０は、内部メモリ等の記憶部に前述の図６又は図９に示すような閾値が記憶されており、前述の図５又は図８に示すようなモード切替制御を行うようになっている。

このように構成された本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、電流センサ４０及び位置センサ４１の検出結果に基づきベクトル制御を行うような構成を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、位置センサ４１を設けず、電流・電圧情報等から磁極位置を推定する位置センサレスベクトル制御を行うような構成としてもよい。また、例えば、電流センサ４０を設けず、インバータ回路３８の入力直流電流（言い換えれば、コンバータ回路３７の出力直流電流）から永久磁石同期モータ３０の一次電流を再現する電流センサレスベクトル制御を行うような構成としてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、本発明の適用対象として、操作レバーの操作位置に対応する油圧操作信号を出力する油圧パイロット式の操作装置を備えた電動式油圧ショベルを例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば操作レバーの操作位置に対応する電気操作信号を出力する電気レバー式の操作装置を備えた電動式油圧ショベルに適用してもよく、また油圧パイロット式の操作装置及び電気レバー式の操作装置が混在する電動式油圧ショベルに適用してもよい。また、本発明の適用対象として、バッテリを搭載し、バッテリからの電力供給によって永久磁石同期モータを駆動するタイプの電動式油圧ショベルを例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、外部の商用電源に接続し、商用電源からの電力供給によって永久磁石同期モータを駆動するタイプの電動式油圧ショベルに適用してもよい。また、電動式油圧ショベルに限られず、例えば電動式油圧クレーン等、他の電動式建設機械に適用してもよいことは言うまでもない。

１２ 走行用油圧モータ
１８ ブーム用油圧シリンダ
１９ アーム用油圧シリンダ
２０ バケット用油圧シリンダ
２８ 回転数指示装置
２９ インバータ装置
２９Ａ インバータ装置
３０ 永久磁石同期モータ
３１ 油圧ポンプ
３３ コントロールバルブ
３４ 操作装置
４０ 電流センサ
４１ 位置センサ
５０ 本体制御装置

Claims (5)

1. 永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータによって駆動する油圧ポンプと、複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータの動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、前記複数の操作手段の操作に応じて前記油圧ポンプから前記複数の油圧アクチュエータへの圧油の流れをそれぞれ制御する複数のコントロールバルブと、前記永久磁石同期モータの目標回転数を指示する回転数指示手段と、少なくとも前記永久磁石同期モータの一次電流若しくはこれを推定するための状態量を検出する検出手段と、通常モードでは、前記回転数指示手段で指示された目標回転数となるように、ベクトル制御演算を用いて前記検出手段の検出結果に基づき前記永久磁石同期モータの印加電圧を制御するインバータ手段とを有する電動式建設機械であって、
   前記永久磁石同期モータの回転数毎に予め設定されて、前記複数の油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態における前記永久磁石同期モータの一次電流に対し所定値を加えた閾値を記憶する記憶手段と、
   前記通常モード中、前記目標回転数指示手段で指示された目標回転数に対応する閾値を前記記憶手段から読込み、この読込んだ閾値より前記永久磁石同期モータの一次電流が小さくなる状態で所定時間が経過したか否かを判定し、これによって前記低負荷状態であるか否かを判断する第１の判定手段と、
   前記第１の判定手段にて前記永久磁石同期モータの一次電流が閾値未満となる状態で所定時間が経過したと判定された場合に、前記通常モードからアイドルモードに切替えるモード切替手段とを有し、
   前記インバータ手段は、前記アイドルモードでは、予め設定されたローアイドル回転数となるように、ベクトル制御演算を用いて前記検出手段の検出結果に基づき前記永久磁石同期モータの印加電圧を制御することを特徴とする電動式建設機械。
2. 請求項１記載の電動式建設機械において、
   前記アイドルモード中、前記ローアイドル回転数に対応する閾値を前記記憶手段から読込み、この読込んだ閾値より前記永久磁石同期モータの一次電流が大きいか否かを判定し、これによって前記複数の油圧アクチュエータのうちのいずれかが動作するような負荷が生じたか否かを判断する第２の判定手段を有し、
   前記モード切替手段は、前記第２の判定手段にて前記永久磁石同期モータの一次電流が閾値以上であると判定された場合に、前記アイドルモードから前記通常モードに切替えることを特徴とする電動式建設機械。
3. 永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータによって駆動する油圧ポンプと、複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータの動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、前記複数の操作手段の操作に応じて前記油圧ポンプから前記複数の油圧アクチュエータへの圧油の流れをそれぞれ制御する複数のコントロールバルブと、前記永久磁石同期モータの目標回転数を指示する回転数指示手段と、少なくとも前記永久磁石同期モータの一次電流若しくはこれを推定するための状態量を検出する検出手段と、通常モードでは、前記回転数指示手段で指示された目標回転数となるように、ベクトル制御演算を用いて前記検出手段の検出結果に基づき前記永久磁石同期モータの印加電圧を制御するインバータ手段とを有する電動式建設機械であって、
   前記ベクトル制御演算の過程で前記永久磁石同期モータの発生トルクを演算するトルク演算手段と、
   前記永久磁石同期モータの回転数毎に設定されて、前記複数の油圧アクチュエータが動作していないような低負荷状態における前記永久磁石同期モータの発生トルクに対し所定値を加えた閾値を記憶する記憶手段と、
   前記通常モード中、前記目標回転数指示手段で指示された目標回転数に対応する閾値を前記記憶手段から読込み、この読込んだ閾値より前記永久磁石同期モータの発生トルクが小さくなる状態で所定時間が経過したか否かを判定し、これによって前記低負荷状態であるか否かを判断する第１の判定手段と、
   前記第１の判定手段にて前記永久磁石同期モータの発生トルクが閾値未満となる状態で所定時間が経過したと判定された場合に、前記通常モードからアイドルモードに切替えるモード切替手段とを有し、
   前記インバータ手段は、前記アイドルモードでは、予め設定されたローアイドル回転数となるように、ベクトル制御演算を用いて前記検出手段の検出結果に基づき前記永久磁石同期モータの印加電圧を制御することを特徴とする電動式建設機械。
4. 請求項３記載の電動式建設機械において、
   前記アイドルモード中、前記ローアイドル回転数に対応する閾値を前記記憶手段から読込み、この読込んだ閾値より前記永久磁石同期モータの発生トルクが大きいか否かを判定し、これによって前記複数の油圧アクチュエータのうちのいずれかが動作するような負荷が生じたか否かを判断する第２の判定手段を有し、
   前記モード切替手段は、前記第２の判定手段にて前記永久磁石同期モータの発生トルクが閾値以上であると判定された場合に、前記アイドルモードから前記通常モードに切替えることを特徴とする電動式建設機械。
5. 請求項１又は３記載の電動式建設機械において、
   前記ベクトル制御演算の過程で前記永久磁石同期モータの実回転数を演算する回転数演算手段と、
   前記アイドルモード中、前記ローアイドル回転数から所定値を減じた閾値より前記永久磁石同期モータの実回転数が小さいか否かを判定し、これによって前記複数の油圧アクチュエータのうちのいずれかが動作するような負荷が生じたか否かを判断する第２の判定手段とを有し、
   前記モード切替手段は、前記第２の判定手段にて前記永久磁石同期モータの回転数が閾値以下であると判定された場合に、前記アイドルモードから前記通常モードに切替えることを特徴とする電動式建設機械。

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