JP2014500419A - ハイブリッド建設機械用旋回制御システム - Google Patents

Abstract

本発明は、電動式旋回モータ駆動によって上部旋回体を旋回させるハイブリッド建設機械用旋回制御システムを提供する。本発明によるハイブリッド建設機械用旋回制御システムは、旋回操作レバーと、エンジンに接続される油圧ポンプと、旋回操作レバーの操作量に対応する電気的な制御信号に応じて駆動するときに上部旋回体を下部走行体に対して旋回させる電動式旋回モータと、旋回操作レバーからの操作信号に応じて解除されて旋回モータを駆動させる旋回パーキングブレーキと、旋回操作レバーからの操作信号の入力により切り換えられると、油圧ポンプからの作動油により駐車ブレーキ用油圧シリンダを駆動して旋回パーキングブレーキを解除する制御弁と、旋回操作レバーからの操作信号に応じて制御弁を切り換えて旋回パーキングブレーキを制御したり、旋回モータの駆動を制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動式旋回モータの駆動により上部旋回体を旋回させるハイブリッド建設機械用旋回制御システムに関する。

さらに詳しくは、旋回操作レバーおよび電動式旋回モータにエラーが発生したときに、予め設定されたアルゴリズムに従って旋回パーキングブレーキを用いて旋回モータの駆動・停止を自動的に制御できるようにしたハイブリッド建設機械用旋回制御システムに関する。

図１に示す従来の技術による建設機械用旋回制御装置は、旋回操作レバー１と、エンジンに接続される油圧ポンプ２と、不図示の油圧ポンプから供給される作動油によって駆動されるときに上部旋回体を旋回させる油圧式旋回モータ３と、旋回操作レバー１の操作信号の入力に応じて解除されて旋回モータ３を駆動する旋回パーキングブレーキ４と、旋回操作レバー１からの操作信号の入力に応じて切り換えられるとき、油圧ポンプ２からの作動油により旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダ５を駆動することによって旋回パーキングブレーキ４を解除する制御弁６と、を備える。

上記の油圧式旋回制御装置において、オペレータが旋回操作レバー１を操作することにより、操作信号が制御弁６の弁ばね６ａの対向側に供給されてスプールを図中の下方に切り換える。これにより、油圧ポンプ２から吐き出される作動油は、切り換えられた制御弁６を経て旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダ５に供給されてばね７を付勢する。このとき、旋回モータ軸８を支持している旋回パーキングブレーキ４が解除状態に切り換わるので、油圧ポンプからの作動油によって旋回モータ３が駆動し、下部走行体に対して上部旋回体を旋回させることができる。

上記した上部旋回体を旋回させる油圧式旋回モータ３にエラーが発生すると、これに伴う問題が原因となって建設機械に異常が発生する。この際、オペレータが直ちに問題の発生を認識することができ、それに応じる応急措置を取ることができる。

一方、電気エネルギーによって駆動される電動式旋回モータを用いて下部走行体に対して上部旋回体を旋回させる旋回装置が取り付けられるハイブリッド式掘削機などの建設機械が用いられている。

従来の技術によるハイブリッド式建設機械の旋回制御装置は、上部旋回体の旋回駆動時に電動式旋回モータにエラーが発生するような緊急事態が発生したときにオペレータが問題を認識し、直ちに対応することができるように、オペレータが作業中にいつでも押下可能な押下式の非常ボタンを、オペレータの最も操作し易い位置に設ける。または、緊急事態発生時、オペレータが安全レバーを操作することにより、旋回モータ側に供給される主な電源を遮断することもできる。

このように作業中に緊急事態が発生すると、オペレータの判断に任せられ、異常現象発生に直ちに対処することになる。

しかし、ハイブリッド式建設機械の旋回制御装置は、建設機械のコントローラ（Ｖ−ＥＣＵ）から送られてくる制御信号に応じて、電動モータの駆動方向および駆動速度を制御する。これにより、旋回モータを制御するための電力変換装置などの電力系統に電気的な故障が発生するような緊急状況が起きたときにも、オペレータがこれらの問題を直ちに認識することができない。

このため、傾斜地などで作業をする最中に旋回装置に緊急状況が起きた場合であっても、オペレータが直ちに応急措置を取ることができなかったため、転覆したり、運転室内のオペレータに傷害を与えるような２次事故に遭遇する問題点がある。

本発明の目的は、作業中に旋回操作レバーおよび電動式旋回モータにエラーが発生する緊急状況が起きたときに、旋回モータの駆動を自動的に制限することによって、危険状況からオペレータを免れさせ、旋回モータの異常による建設機械の破損を防止できるようにしたハイブリッド建設機械用旋回制御システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、オペレータに建設機械の現在の異常状態を周知させてオペレータが問題を解消できるようにしたハイブリッド建設機械用旋回制御システムを提供することにある。

本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムは、旋回操作レバーと、エンジンに接続される油圧ポンプと、前記旋回操作レバーの操作量に対応する電気的な制御信号に応じて駆動するときに上部旋回体を下部走行体に対して旋回させる電動式旋回モータと、前記旋回操作レバーからの操作信号に応じて解除されて旋回モータを駆動する旋回パーキングブレーキと、前記旋回操作レバーからの操作信号の入力により切り換えられると、前記油圧ポンプからの作動油によって旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダを駆動して旋回パーキングブレーキを解除する制御弁と、前記旋回操作レバーからの操作信号に応じて前記制御弁を切り換えて前記旋回パーキングブレーキを制御したり前記旋回モータの駆動を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラが、前記旋回操作レバーの操作による入力値のエラーまたは旋回モータの出力トルク値の異常を感知して旋回モータの駆動を制御するとき、建設機械の旋回速度が低速回転であれば、旋回パーキングブレーキを設定して旋回モータを停止し、建設機械の旋回速度が高速回転であれば、旋回パーキングブレーキの解除および設定を所定の時間間隔で繰り返し行った後に旋回モータを停止することを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムは、旋回操作レバーと、油圧ポンプと、旋回操作レバーの操作量に対応する制御信号に応じて上部旋回体を旋回させる電動式旋回モータと、旋回操作レバーからの操作信号に応じて解除されて旋回モータを駆動する旋回パーキングブレーキと、旋回操作レバーからの操作信号によって切り換えられたときに旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダを駆動して旋回パーキングブレーキを解除する制御弁と、旋回操作レバーからの操作信号に応じて制御弁を切り換えて旋回パーキングブレーキを制御したり旋回モータの駆動を制御するコントローラと、を備えるハイブリッド建設機械用旋回制御システムにおいて、
オペレータによって要請される前記電動式旋回モータのトルク値と、前記電動式旋回モータの実際のトルク値とがフィードバックされる第１のステップと、オペレータによって要請された旋回モータのトルク値と、フィードバックされた旋回モータのトルク値との差値を比較・判断する第２のステップと、前記第２のステップにおけるトルク値の値差分がトルクデッドゾーン値よりも小さければ、前記旋回パーキングブレーキを解除する第３のステップと、前記旋回モータの回転速度フィードバック値が設定値を超えるか否かを判断する第４のステップと、第２のステップによる前記旋回モータのトルク値が、フィードバックされたトルク値よりも大きく、第４のステップによる前記旋回モータの回転速度フィードバック値が設定値を超えると、旋回モータの回転速度フィードバック値が低速旋回区間内に入るまで前記旋回パーキングブレーキの設定および解除を所定の時間間隔で繰り返し行う第５のステップと、第２のステップによる前記旋回モータのトルク値がフィードバックされたトルク値よりも大きく、第４のステップによる前記旋回モータの回転速度フィードバック値が設定値よりも小さければ、旋回パーキングブレーキを設定する第６のステップと、を含むことを特徴とする。

上述したように構成される本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムは、以下のような優れた効果を奏する。

ハイブリッド式掘削機を用いて作業する間に旋回装置にエラーが発生する緊急状況が起きたとき、旋回パーキングブレーキにより旋回モータの駆動を自動的に制限して危険状況からオペレータを保護すると共に建設機械の破損を防止でき、建設機械に対する信頼性を確保することができる。

また、オペレータに現在の異常内容を周知させることによって、問題を解決できるようにオペレータを誘導する。

従来の技術による建設機械用旋回制御装置の概略図である。 従来の技術によるハイブリッド建設機械用旋回制御装置において、旋回パーキングブレーキによる旋回モータの急減速を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムの概略図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムのフローチャートである。 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムにおいて、平常時と非常時とにおける旋回パーキングブレーキによる旋回モータの減速を説明するためのグラフをそれぞれ示した図である。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述するが、これは本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が発明を容易に実施できる程度に詳細に説明するためのものであり、これにより本発明の技術的な思想及び範囲が限定されることはない。

図３に示す本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムは、旋回操作レバー１１と、エンジン（図示せず）に接続される油圧ポンプ１２と、旋回操作レバー１１の操作量に対応する電気的な制御信号に応じて駆動するときに上部旋回体を下部走行体に対して旋回させる電動式旋回モータ（ＥＭ）１３（以下、「旋回モータ」とする）と、旋回操作レバー１１からの操作信号に応じて解除されて旋回モータ１３を駆動する旋回パーキングブレーキ１４と、旋回操作レバー１１からの操作信号の入力により切り換えられると、油圧ポンプ１２からの作動油によって旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダ１５を駆動して旋回パーキングブレーキ１４を解除する制御弁（例えば、ソレノイド弁が用いられる）１６と、旋回操作レバー１１からの操作信号に応じて制御弁１６を切り換えて旋回パーキングブレーキ１４を制御したり、旋回モータ１３の駆動を制御するコントローラ１７と、を備え、前記コントローラ１７により、旋回操作レバー１１の操作による入力値のエラーまたは旋回モータ１３の出力トルク値の異常を感知して旋回モータ１３の駆動を制御するとき、建設機械の旋回速度が低速回転であれば、旋回パーキングブレーキ１４を設定して旋回モータ１３を停止するが、高速回転であれば、旋回パーキングブレーキ１４の解除および設定を所定の時間間隔で繰り返し行った後に旋回モータ１３を停止してもよい。

図中、説明されていない図面符号１８は、コントローラ１７からの制御信号に応じて直流電流（ＤＣ）を交流電流（ＡＣ）に変換して旋回モータ１３に供給するインバータである。

図４、図５Ａおよび図５Ｂに示す本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムは、
旋回操作レバー１１と、油圧ポンプ１２と、旋回操作レバー１１の操作量に対応する制御信号に応じて上部旋回体を下部走行体に対して旋回させる電動式旋回モータ（以下、旋回モータとする）１３と、旋回操作レバー１１からの操作信号に応じて解除されて旋回モータ１３を駆動する旋回パーキングブレーキ１４と、旋回操作レバー１１からの操作信号によって切り換えられたときに旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダ１５を駆動して旋回パーキングブレーキ１４を解除する制御弁１６と、旋回操作レバー１１からの操作信号に応じて制御弁１６を切り換えて旋回パーキングブレーキ１４を制御したり、旋回モータ１３の駆動を制御するコントローラ１７と、を備えるハイブリッド建設機械用旋回制御システムにおいて、オペレータにより要請された旋回モータ１３のトルク値と、旋回モータ１３の実際のトルク値とがフィードバックされる第１のステップ（ステップＳ１００）と、オペレータにより要請された旋回モータ１３のトルク値と、フィードバックされた旋回モータ１３のトルク値との差値を比較・判断する第２のステップ（ステップＳ２００）と、第２のステップ（ステップＳ２００）におけるトルク値の差値がトルクデッドゾーン値Ｔｄよりも小さければ、旋回パーキングブレーキ１４を解除する第３のステップ（ステップＳ３００）と、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が設定値Ｓｈを超えるか否かを判断する第４のステップ（ステップＳ４００）と、第２のステップ（ステップＳ２００）における旋回モータ１３のトルク値がフィードバックされたトルク値よりも大きく、且つ、第４のステップ（ステップＳ４００）における旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が設定値Ｓｈを超えると、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が低速旋回区間内に入って来るまで旋回パーキングブレーキ１４の設定および解除を所定の時間間隔で繰り返し行う第５のステップ（ステップＳ５００）と、第２のステップ（ステップＳ２００）における旋回モータ１３のトルク値が、フィードバックされたトルク値よりも大きく、且つ、第４のステップ（ステップＳ４００）における旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が設定値Ｓｈよりも小さければ、旋回パーキングブレーキ１４を設定する第６のステップ（ステップＳ６００）と、を含む。

以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムの使用例について詳述する。

図３に示すように、オペレータが旋回操作レバー１１を操作することにより、操作信号が制御弁１６の弁ばね１６ａの対向側に供給されてスプールを図中の下側方向に切り換える。これにより、油圧ポンプ１２から吐き出される作動油は、切り換えられた制御弁１６を通って旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダ１５に供給されてこのばね１５ａを付勢する。

このとき、旋回モータ軸１９を支持している旋回パーキングブレーキ１４が解除状態に切り換わるので、油圧ポンプ（図示せず）から供給される作動油により旋回モータ１３が駆動し、下部走行体に対して上部旋回体を旋回させることができる。

一方、上述した旋回操作レバー１１の操作量に応じた入力値がコントローラ１７に入力されれば、これと対応してコントローラ１７からの制御信号がインバータ１８を介して旋回モータ１３に出力されるので、旋回モータ１３を駆動させることができる。

上記したコントローラ１７によって、旋回操作レバー１１の操作による入力値のエラーまたは旋回モータ１３の出力トルク値の異常（オペレータによる旋回操作レバー１１の操作に伴う旋回モータ１３のトルク出力値と、実際に駆動された旋回モータ１３のトルク値との間にばらつきが発生する場合をいう）が感知されると、旋回パーキングブレーキ１４を用いて旋回モータ１３の駆動を制御することができる。

すなわち、旋回モータ１３の駆動を制限するために、旋回速度が低速回転であれば、制御弁１６の切り換えにより旋回パーキングブレーキ１４を設定（制動状態に切り換えられることをいう）して旋回モータ１３を停止し（図５Ａに示す）、旋回速度が高速回転であれば、制御弁１６の切り換えにより旋回パーキングブレーキ１４の解除（駆動状態に切り換えられることをいう）および設定を所定の時間間隔で繰り返し行った後、旋回モータ１３を停止する(図５Ｂに示す)。

一方、添付図面に基づき、上述した旋回モータ１３の駆動によって上部旋回体を高速で旋回させる作業中に、オペレータが認識できないような緊急状況が発生したときに、旋回パーキングブレーキ１４を用いて旋回モータ１３の停止を制御することについて説明する。

図４に示すように、上述したコントローラ１７には、オペレータによる旋回操作レバー１１の操作によって要請された旋回モータ１３のトルク値と、旋回モータ１３の駆動による実際のトルク値とがフィードバックされる（ステップＳ１００）。

次いで、オペレータから要請された旋回モータ１３のトルク値と、フィードバックされた旋回モータ１３のトルク値との差値を比較・判断する（ステップＳ２００）。

すなわち、旋回操作レバー１１の操作によって要請された旋回モータ１３のトルク値と、旋回モータ１３の駆動による実際のトルク値との差値がトルクデッドゾーン（ｔｏｒｑｕｅ ｄｅａｄ ｚｏｎｅ）値Ｔｄよりも大きければ、Ｓ４００へ移行する。これに対し、オペレータによって要請された旋回モータ１３のトルク値と、旋回モータ１３の駆動による実際のトルク値との差値がトルクデッドゾーン値Ｔｄよりも小さければ、Ｓ３００へ移行する。

次いで、第２のステップＳ２００におけるトルク値の差がトルクデッドゾーン値Ｔｄよりも小さければ、旋回パーキングブレーキ１４を解除して正常に旋回させる（ステップＳ３００）。

次いで、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が設定値Ｓｈを超えたか否かを判断する（ステップＳ４００）。

すなわち、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が設定値Ｓｈを超えると（旋回モータ１３が高速で回転されることをいう）、Ｓ５００へ移行する。これに対し、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が設定値Ｓｈよりも小さければ（旋回モータ１３が低速で回転することをいう）、Ｓ６００へ移行する。

オペレータの旋回操作レバー１１の操作による旋回モータ１３のトルク値が、フィードバックされたトルク値よりも大きく（ステップＳ２００参照）、且つ、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が設定値Ｓｈを超えると（旋回モータ１３が高速で回転することをいう）（ステップＳ４００参照）、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が低速旋回区間内に入るまで旋回パーキングブレーキ１４の設定および解除を所定の時間間隔で繰り返し行う（図５Ｂに示す）（ステップＳ５００）。

すなわち、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が低速旋回区間内に入るまで旋回パーキングブレーキ１４の設定および解除を所定の時間間隔で繰り返し行ってもよい。このとき、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が設定値Ｓｈよりも小さければ、旋回パーキングブレーキ１４を設定して旋回モータ１３を停止する。

これにより、上部旋回体が高速で旋回しているとき、コントローラ１７は、緊急状況が発生したと判断して旋回パーキングブレーキ１４をいきなり設定し、旋回モータ１３を停止させると、オペレータを困惑させかねない。このオペレータの困惑に起因して他の危険状況が招かれる虞がある。また、高速で旋回中の旋回モータ軸１９が旋回パーキングブレーキ１４によって制動されると、破損する虞がある。とりわけ、旋回パーキングブレーキ１４によって旋回モータ１３の過度な減速が行われると、建設機械が転覆したり運転室内のオペレータに２次事故を招来したりする虞がある（図２参照）。

したがって、旋回体が高速で旋回していると、コントローラ１７は、旋回体の高速旋回中と判断して、旋回パーキングブレーキ１４を用いて所定の時間間隔で設定および解除を繰り返し行う。これにより、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が低速旋回区間内に入るまで上部旋回体の高速回転状態を徐々に減速させて低速回転状態に切り換えた後、旋回パーキングブレーキ１４を用いて旋回モータ１３を安全な状態で停止することができる（図５Ｂに示す）。

オペレータの旋回操作レバー１１の操作による旋回モータ１３のトルク値がフィードバックされたトルク値よりも大きく（ステップＳ２００参照）、且つ、旋回モータ１３の回転速度フィードバック値が設定値Ｓｈよりも小さければ（旋回モータ１３が低速で回転されることをいう）（ステップＳ４００参照）、旋回パーキングブレーキ１４を設定して旋回モータ１３を停止させる（ステップＳ６００）。

すなわち、上記したコントローラ１７からの制御信号により制御弁１６を切り換えると、油圧ポンプ１２から制御弁１６を経由する作動油により旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダ１５を駆動して旋回パーキングブレーキ１４を制動状態に切り換えることにより、旋回モータ１３の駆動を直ちに止めることができる。

上述したように、旋回モータ１３が低速回転中であれば、旋回パーキングブレーキ１４により旋回モータ１３を停止させた後、オペレータに旋回体における異常発生を周知させることによって、オペレータの安全性を確保したうえで、旋回体に発生した問題を解決できるようにオペレータを誘導する。

上述した構成を有する本発明によれば、作業中に旋回装置にエラーが発生するような緊急事態が発生したとき、旋回パーキングブレーキにより旋回モータの駆動を自動的に制限することによって、危険状況からオペレータを保護し、且つ、旋回体の破損を防ぐことができる。また、オペレータに旋回体における異常発生を周知させ、問題を解決できるようにオペレータを誘導することによって、建設機械に対する信頼性を確保することができる。

１１ 旋回操作レバー
１２ 油圧ポンプ
１３ 電動式旋回モータ
１４ 旋回パーキングブレーキ
１５ 旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダ
１６ 制御弁
１７ コントローラ
１８ インバータ
１９ 旋回モータ軸

Claims (2)

1. ハイブリッド建設機械用旋回制御システムにおいて、
   旋回操作レバーと、
   エンジンに接続される油圧ポンプと、
   前記旋回操作レバーの操作量に対応する電気的な制御信号に応じて駆動するときに上部旋回体を下部走行体に対して旋回させる電動式旋回モータと、
   前記旋回操作レバーからの操作信号に応じて解除されて旋回モータを駆動する旋回パーキングブレーキと、
   前記旋回操作レバーからの操作信号の入力により切り換わるとき、前記油圧ポンプからの作動油により旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダを駆動して旋回パーキングブレーキを解除する制御弁と、
   前記旋回操作レバーからの操作信号に応じて前記制御弁を切り換えて前記旋回パーキングブレーキを制御したり、前記旋回モータの駆動を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラが、前記旋回操作レバーの操作による入力値のエラーまたは旋回モータの出力トルク値の異常を感知して旋回モータの駆動を制御するとき、旋回体の旋回速度が低速回転であれば、旋回パーキングブレーキを設定して旋回モータを停止し、旋回速度が高速回転であれば、旋回パーキングブレーキの解除および設定を所定の時間間隔で繰り返し行った後に旋回モータを停止することを特徴とするハイブリッド建設機械用旋回制御システム。
2. 旋回操作レバーと、油圧ポンプと、旋回操作レバーの操作量に対応する制御信号に応じて上部旋回体を旋回させる電動式旋回モータと、旋回操作レバーからの操作信号に応じて解除されて旋回モータを駆動する旋回パーキングブレーキと、旋回操作レバーからの操作信号により切り換えられるときに旋回パーキングブレーキ用油圧シリンダを駆動して旋回パーキングブレーキを解除する制御弁と、旋回操作レバーからの操作信号に応じて制御弁を切り換えて駐車ブレーキを制御したり、旋回モータの駆動を制御するコントローラと、を備えるハイブリッド建設機械用旋回制御システムにおいて、
   オペレータにより要請された前記電動式旋回モータのトルク値と、前記電動式旋回モータの実際のトルク値とがフィードバックされる第１のステップと、
   オペレータにより要請された旋回モータのトルク値と、フィードバックされた旋回モータのトルク値との差値を比較・判断する第２のステップと、
   前記第２のステップにおけるトルク値の差分がトルクデッドゾーン値よりも小さければ、前記旋回パーキングブレーキを解除する第３のステップと、
   前記旋回モータの回転速度フィードバック値が設定値を超えるか否かを判断する第４のステップと、
   前記旋回モータのトルク値がフィードバックされたトルク値よりも大きく、且つ、前記旋回モータの回転速度フィードバック値が設定値を超えると、旋回モータの回転速度フィードバック値が低速旋回区間内に入るまで前記旋回パーキングブレーキの設定および解除を所定の時間間隔で繰り返し行う第５のステップと、
   前記旋回モータのトルク値がフィードバックされたトルク値よりも大きく、且つ、前記旋回モータの回転速度フィードバック値が設定値よりも小さければ、旋回パーキングブレーキを設定する第６のステップと、
   を含むことを特徴とするハイブリッド建設機械用旋回制御システム。

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