JP4002369B2

JP4002369B2 - 旋回式作業機械の旋回制御装置

Info

Publication number: JP4002369B2
Application number: JP18393199A
Authority: JP
Inventors: 英昭吉松
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2019-06-29
Also published as: JP2001010783A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は旋回駆動源として電動機を用いる旋回式作業機械の旋回制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ショベルやクレーン等の旋回式作業機械においては、旋回駆動源として油圧モータを用い、この油圧モータを油圧ポンプからの吐出油によって駆動する油圧モータ駆動方式をとっている。
【０００３】
この油圧モータ駆動方式をとる場合、油圧ポンプと油圧モータとの間にコントロールバルブを設け、このコントロールバルブにより方向、圧力、流量を制御して油圧モータの作動方向、力、速度を制御している。
【０００４】
しかし、この方式では、油圧エネルギーをコントロールバルブで絞り捨てる量多くてエネルギー損失が大きいという問題があった。
【０００５】
そこで、最近、旋回駆動源として電動機を用いる電動機駆動方式が提案されている（たとえば特願平１１−９３２１０号参照）。
【０００６】
また、クライミングクレーンやマイニング用の大型電気ショベルでは、従来から旋回動作に電動機駆動方式が採用されている。
【０００７】
これらの電動機旋回方式においては、電動機の回転方向と速度を変えることによって旋回方向と速度をコントロールするものであり、エネルギー効率を大きく改善することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、旋回停止方式として、従来の油圧駆動方式では、レバー中立で、コントロールバルブによってブレーキ力が働き自動的に旋回停止する「中立ブレーキ」方式がとられている。
【０００９】
この「中立ブレーキ」方式によると、旋回停止時に逆レバー操作等の余分な操作が不要で、しかも確実な旋回停止作用が得られるため、安全性及び操作性ともにすぐれている。
【００１０】
これに対し、公知の電動機駆動方式では、操作レバーを中立に戻すと電動機入力が０でトルクも０となって駆動力も制動力も働かず、慣性のみが働く状態、すなわち「中立フリー（または中立流し）」となる。
【００１１】
この中立フリー方式では、機械的摩擦等で減速させ、逆レバー操作により逆トルクを発生させてブレーキを働かせることになるため、油圧駆動方式と比較して安全性・操作性の点で劣る。
【００１２】
そこで本発明は、電動機駆動方式をとりながら「中立ブレーキ」の旋回停止を実現し得る旋回式作業機械の旋回制御装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、旋回体を備え、この旋回体が電動機によって旋回駆動される旋回式作業機械において、上記電動機の速度とトルクを指令する操作手段と、この操作手段からの指令信号に基づいて電動機の速度と加速トルク及び制動トルクを制御する電動機制御手段と、旋回体の旋回速度を検出する旋回速度センサとを備え、上記電動機制御手段は、
（ｉ）予め、上記操作手段の操作量に応じた旋回速度特性と、操作手段の操作量が少なくとも最大または最大近傍のときに加速トルクの制限値が最大となり、操作量が少なくとも０または０近傍のときに制動トルクの制限値が最大となるように加速トルク及び制動トルクの最大値を制限する制限値特性とを設定し、
（ｉｉ）上記操作量に応じて設定された旋回速度と、上記旋回速度センサによって検出される実際の旋回速度の偏差を求め、
（ｉｉｉ）上記設定された制限値の範囲で、上記速度偏差に応じた制動トルクを上記電動機に指令する
ように構成されたものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、旋回停止時に作動して旋回体を旋回停止状態に保持するメカニカルブレーキが設けられたものである。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項２の構成において、電動機制御手段は、旋回起動時に、サーボロック制御により電動機を速度０に保持した後にメカニカルブレーキを解除するように構成されたものである。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、電動機制御手段は、旋回停止直前に制動トルクを０またはそれに近い値に制御するように構成されたものである。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの構成において、電動機制御手段は、旋回以外の動作を行うための他のアクチュエータの作動と連動して電動機のトルクを制御するように構成されたものである。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項５の構成において、電動機制御手段は、予め設定された旋回角度についての条件に従ってトルクを制御するように構成されたものである。
【００１９】
上記構成によると、操作手段の操作量に応じて速度が変化し、速度偏差に応じて制動トルクが変化するため、操作手段を中立側に操作する減速時に、操作量に応じた制動トルクが作用する。すなわち、電動機駆動方式において安全性・操作性にすぐれる「中立ブレーキ」が実現される。
【００２０】
この場合、上記のように操作手段の操作量によってトルク制御できるため、たとえばショベルによる溝掘り作業において、バケット側面を溝側壁に押し付ける力を操作手段の操作量により制御して溝の形を決め易い等、実作業面で有利となる。
【００２１】
さらに、設定速度と実速度の偏差に応じた加速トルクまたは制動トルクが働くため、加速または減速の過渡期に、オペレータの意思（操作量）通りの良好なトルク制御特性が得られる。
【００２２】
請求項２，３の構成によると、メカニカルブレーキによって旋回体を停止状態に確実に保持することができる。しかも、電動機に制動電流を流す必要がないため、省エネルギーとなる。
【００２３】
また、請求項３の構成によると、サーボロック制御（指令速度０を保つフィードバック制御）によって旋回停止状態を確保できるため、坂道や強風下での旋回起動時にメカニカルブレーキを解除した途端に旋回体が逸走する等のおそれがない。
【００２４】
ところで、旋回体が停止した瞬間にトルクが残存していると、旋回駆動機構の変形やアタッチメントの撓み等によって弾性エネルギーが蓄積され、これが解放されるように旋回体が反対側に回る「揺れ戻り」が生じる。
【００２５】
この点、請求項４の構成によると、旋回停止直前に制動トルクを０またはそれに近い値に制御するため、残存トルクによる「揺れ戻り」の発生を防止し、スムースな旋回停止作用を得ることができる。
【００２６】
一方、請求項５，６の構成によると、たとえばショベルにおいて土砂を掘削してバケットをダンプする位置まで旋回させるといった、旋回と他の動作を複合して行う場合に、電動機のトルクを他のアクチュエータの作動と連動して制御するため、複合動作のマッチングが良好になり、操作性が良いものとなる。
【００２７】
この場合、請求項６の構成によると、設定された旋回角度についての条件に従ってトルク制御されるため、旋回トルクが過大または過小となって、上記の例でいえばバケットがダンプ位置を超えたり到達しなかったりすることがなく、複合動作をより容易かつスムースに行うことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図によって説明する。
【００２９】
図１にショベル全体の概略構成と機器配置、図２に駆動・制御系のブロック構成をそれぞれ示している。なお、図２において、二重線は機械的動力系、実線矢印は油圧駆動系、破線矢印は電気駆動・制御系をそれぞれ示している。
【００３０】
図１において、１はクローラ式の下部走行体、２は上部旋回体、３は上部旋回体２の前部に装着された掘削アタッチメントで、この掘削アタッチメント３は、ブーム４、アーム５、バケット６、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９を具備している。
【００３１】
下部走行体１は左右のクローラ１０Ｌ，１０Ｒを備え、この両側クローラ１０Ｌ，１０Ｒが左右の走行油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒ及び減速機１２Ｌ，１２Ｒにより個別に回転駆動されて走行する。
【００３２】
上部旋回体２には、エンジン１３と、このエンジン１３によって駆動される油圧ポンプ１４及び発電機１５と、バッテリ１６と、旋回用電動機１７及び減速機１８が搭載されている。
【００３３】
図２に示すように、油圧ポンプ１４の吐出油はブーム、アーム、バケットの各シリンダ７，８，９及び左右の走行油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒにそれぞれ制御弁１９，２０，２１，２２，２３を介して供給され、この制御弁１９〜２３によって作動が制御される。
【００３４】
発電機１５は増速機構２４を介してエンジン駆動力を加えられ、この発電機１５で作られた電力が制御器２５で電圧・電流が制御されてバッテリ１６に蓄えられるとともに、インバータ２６経由で旋回用電動機１７に加えられる。
【００３５】
旋回用電動機１７には、常時はブレーキ解放のネガティブブレーキとしてのメカニカルブレーキ２７が設けられ、このメカニカルブレーキ２７が解除された状態で、旋回用電動機１７の回転力が旋回用減速機構１８経由で上部旋回体２に伝えられて同旋回体２が左または右に旋回する。
【００３６】
２８は旋回用操作手段としての旋回操作部（たとえばポテンショメータ）で、この操作部２８がレバー２８ａによって操作され、その操作量に応じた指令信号が電動機制御手段としてのコントローラ２９に入力される。
【００３７】
また、センサとして、旋回用電動機１７の回転速度（旋回速度）を検出する速度センサ３０と、ブームシリンダ７のヘッド側（伸長側）の圧力を検出するヘッド圧力センサ３１が設けられ、この両センサ３０，３１からの速度信号及び圧力信号がコントローラ２９に制御データとして入力される。
【００３８】
また、旋回トルクをダイヤルまたはスイッチで設定する旋回トルク設定装置３２が設けられ、同装置３２によるトルク設定値もまた制御データとしてコントローラ２９に入力される。
【００３９】
コントローラ２９はこれら入力される制御データに基づいて次のような制御を行う。
【００４０】
（Ａ）基本制御
コントローラ２９には、予め、図４（操作量に対する旋回トルク及び旋回速度の静特性を示す）に示すように操作レバー２８ａ（操作部２８）の操作量に応じた旋回速度特性と、加速及び制動トルクの最大値、すなわち制限値の特性とが記憶され、レバー操作量に応じて、記憶された速度の指令信号がインバータ２６経由で旋回用電動機１７に出力される。
【００４１】
なお、速度パターンとして図４では１種類のみを示しているが、通常操作と微操作等、複数の速度パターンを記憶させておいて切り替えるようにしてもよいし、速度操作用のペダルやボリュームスイッチ等で可変制御してもよい。
【００４２】
図４中のＳ点は旋回速度の立ち上がり点であり、加速時に操作量がＳＬ点になると、コントローラ２９によってＳ点までの区間Ａでサーボロック制御（電動機１７の回転速度を０に保つフィードバック制御）が働き、上部旋回体２が旋回停止状態に保持される。
【００４３】
次いで、操作量がＭＢ点に達するとコントローラ２９からメカニカルブレーキ２７にブレーキ解除信号が出力され、同ブレーキ２７が解除されて電動機１７がフリーとなる。
【００４４】
このとき、サーボロック制御が続行されているため、坂道や強風下でも上部旋回体２が旋回するおそれはない。
【００４５】
さらに操作量がＳ点以上になると、操作量に見合う速度まで加速する過渡期は、図３に示すように指令速度Ｎｉと、速度センサ３０によって検出される実際の速度Ｎａの偏差ΔＮに応じて、
ＴMAX＝ｆ（ΔＮ）＝ｆ（ＫPΔＮ＋ＫI∫ΔＮ）
によるＰＩ（比例積分）制御によってトルクが制御される。
【００４６】
なお、上記式は概念であり、実際にはコントローラ２９内でデジタル制御が行われる。
【００４７】
この制御により、
（Ｉ） ΔＮが小さいとき、つまり操作量の変化が小さいときには小さいトルクが出力され、
（ＩＩ） ΔＮが大きいとき、つまり操作量の変化が大きいときには大きなトルクが出力され、
（ＩＩＩ） ΔＮが増加しているときにはトルクが大きくなり、
（ＩＶ） ΔＮが減少しているときにはトルクが小さくなる。
【００４８】
すなわち、操作レバー２８ａの入れはじめはトルクが小さく、次第にトルクが大きくなって、速度が指令値に近くなるとトルクが小さくなり、オペレータの操作感覚にマッチする。
【００４９】
また、この実施形態では、図４、及び図４の破線丸囲い部分を拡大した図５に示すように、Ｓ点から操作量がわずかな間に加速トルクが所定の値まで立ち上がるように制御される。こうすれば、坂道や強風下でも、速度の立ち上がり点が操作量の狭い範囲で決まるため、微操作がし易い。
【００５０】
一方、制動トルクの制限値は、図４に示すように操作量が０のときを含む前半領域で一定かつ最も大きな値になり、後半領域では操作量の増加に応じて小さくなるように設定され、減速時にこの制限値の範囲で速度偏差ΔＮに応じた制動トルク制御によって上部旋回体２の旋回停止動作が行われる。
【００５１】
この制御により、操作手段の操作量に応じて速度が変化し、かつ、速度偏差に応じて制動トルクが変化するため、操作レバー２８が中立側に操作される減速時に、操作量に応じた制動トルクが作用する。すなわち、電動機駆動方式をとりながら、従来の油圧駆動方式の場合と同じ「中立ブレーキ」作用を得ることができる。
【００５２】
なお、操作レバー２８ａが中立に戻されると、通常、速度偏差が大きくなること、及びこのときの制限値が最大となることによって大きな制動トルクが働き、旋回体２が自動的にかつ確実に停止する。
【００５３】
（Ｂ）旋回揺れ戻り防止制御（図６参照）
旋回制動して停止した瞬間に電動機１７がトルクを有していると、旋回駆動機構の変形やアタッチメントの撓み等で弾性エネルギーが蓄積され、この弾性エネルギーが解放されるようにアタッチメントが反対側に何回か揺れる「揺れ戻り」現象が発生して操作性が悪くなる。
【００５４】
そこでコントローラ２９において、たとえば速度パターン（１）（２）の場合に、速度センサ３０からの信号によっ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Ｎ１になったとき（時刻ｔ１）に、旋回トルクを０（またはそれに近い微少値）に制御する。
【００５５】
この制御により、停止の瞬間に蓄えられるべき弾性エネルギーを解放することができるため、揺れ戻りが生じない。
【００５６】
なお、最後まで制動した場合と比べて停止距離はわずかに延びるが実用上問題になる値ではない。
【００５７】
また、旋回速度が０になったことが検出された場合、あるいは時刻ｔ１から所定の微少時間Δｔだけ経過した時刻ｔ２になったときにメカニカルブレーキ２７を作動させる。
【００５８】
（Ｃ）他のアクチュエータとの複合動作時のマッチング制御（図７参照）
たとえば土砂を掘削してダンプする位置にバケット６を持っていくときには、旋回とブーム上げの両動作を同時に行う場合が多い。
【００５９】
従来の油圧駆動方式では、旋回油圧回路がブーム上げ油圧回路とパラレルとなり、ブーム上げ圧力と同じ圧力で旋回加速されるように構成されている。
【００６０】
この実施形態では、この旋回とブーム上げのマッチングのために、旋回トルク設定装置３２により、予め、ブーム上昇量と旋回角度の目標値を設定する一方、このときのブームシリンダ７のヘッド側圧力（バケット内土砂の重量や掘削アタッチメント３の姿勢等によって決まる）をヘッド圧力センサ３１で検出してコントローラ２９に入力し、この圧力値と上記目標値に応じて旋回トルクを制御する。この制御により、旋回とブーム上げの複合動作を容易かつスムースに行うことができる。
【００６１】
図７では制御例として、設定旋回角度が９０゜のパターン（１）と、設定旋回角度が１８０゜のパターン（２）を示している。図中、破線で示すパターン（３）は、このような制御を行わない場合、すなわち、トルク制御を行わないために旋回トルクが大き過ぎてブーム上げと旋回の両動作がマッチングしない場合を示している。
【００６２】
ところで、上記実施形態では旋回動力として電気を用い、他の動作の動力として油圧を用いる所謂パラレル方式をとるショベルを例にとったが、本発明はすべてのアクチュエータの動力源として電気動力を用いる所謂シリーズ方式をとるショベルにも適用することができる。
【００６３】
この場合、上記ブーム上げ動作とのマッチング制御のためのデータとして、上記したブームシリンダ７のヘッド側圧力でなく、たとえばブーム用電動機のトルク（電流値）を検出すればよい。
【００６４】
なお、本発明はショベルに限らず、クレーンその他、中立ブレーキ方式が望まれる旋回式作業機械に広く適用することができる。
【００６５】
【発明の効果】
上記のように本発明によるときは、操作手段の操作量に応じて速度が変化し、速度偏差に応じて制動トルクが変化するため、操作手段を中立側に操作する減速時に、操作量に応じた制動トルクが作用する。すなわち、電動機駆動方式において安全性・操作性にすぐれる「中立ブレーキ」が実現される。
【００６６】
この場合、上記のように操作手段の操作量によってトルク制御できるため、たとえばショベルによる溝掘り作業において、バケット側面を溝側壁に押し付ける力を操作手段の操作量により制御して溝の形を決め易い等、実作業面で有利となる。
【００６７】
さらに、設定速度と実速度の偏差に応じた加速トルクまたは制動トルクが働くため、加速または減速の過渡期に、オペレータの意思（操作量）通りの良好なトルク制御特性が得られる。
【００６８】
請求項２，３の発明によると、メカニカルブレーキによって旋回体を停止状態に確実に保持することができる。しかも、電動機に制動電流を流す必要がないため、省エネルギーとなる。
【００６９】
また、請求項３の発明によると、サーボロック制御（指令速度０を保つフィードバック制御）によって旋回停止状態を確保できるため、坂道や強風下での旋回起動時にメカニカルブレーキを解除した途端に旋回体が逸走する等のおそれがない。
【００７０】
請求項４の発明によると、旋回停止直前に制動トルクを０またはそれに近い値に制御するため、残存トルクによる「揺れ戻り」の発生を防止し、スムースな旋回停止作用を得ることができる。
【００７１】
一方、請求項５，６の発明によると、たとえばショベルにおいて土砂を掘削してバケットをダンプする位置まで旋回させるといった、旋回と他の動作を複合して行う場合に、電動機のトルクを他のアクチュエータの作動と連動して制御するため、複合動作のマッチングが良好になり、操作性が良いものとなる。
【００７２】
この場合、請求項６の発明によると、設定された旋回角度についての条件に従ってトルク制御されるため、旋回トルクが過大または過小となって、上記の例でいえばバケットがダンプ位置を超えたり到達しなかったりすることがなく、複合動作をより容易かつスムースに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるショベルの全体構成と機器配置を示す側面図である。
【図２】同ショベルの駆動・制御系のブロック構成図である。
【図３】同ショベルのＰＩ制御のためのブロック図である。
【図４】同ショベルの操作量と旋回速度及び旋回トルクの静特性図である。
【図５】図４の破線丸囲い部分の拡大図である。
【図６】同ショベルにおける揺れ戻り防止制御の作用を説明するための時間と旋回速度の関係を示す図である。
【図７】同ショベルによるブーム上げと旋回動作のマッチング制御の作用を説明するための旋回角度とブーム上昇量の関係を示す図である。
【符号の説明】
２上部旋回体
４ブーム
７ブームシリンダ
１７旋回用電動機
２７メカニカルブレーキ
２８旋回操作部（操作手段）
２８ａ操作レバー
２９コントローラ（電動機制御手段）
３０速度センサ
３１ブームシリンダヘッド側の圧力を検出する圧力センサ

Claims

旋回体を備え、この旋回体が電動機によって旋回駆動される旋回式作業機械において、上記電動機の速度とトルクを指令する操作手段と、この操作手段からの指令信号に基づいて電動機の速度と加速トルク及び制動トルクを制御する電動機制御手段と、旋回体の旋回速度を検出する旋回速度センサとを備え、上記電動機制御手段は、
（ｉ）予め、上記操作手段の操作量に応じた旋回速度特性と、操作手段の操作量が少なくとも最大または最大近傍のときに加速トルクの制限値が最大となり、操作量が少なくとも０または０近傍のときに制動トルクの制限値が最大となるように加速トルク及び制動トルクの最大値を制限する制限値特性とを設定し、
（ｉｉ）上記操作量に応じて設定された旋回速度と、上記旋回速度センサによって検出される実際の旋回速度の偏差を求め、
（ｉｉｉ）上記設定された制限値の範囲で、上記速度偏差に応じた制動トルクを上記電動機に指令する
ように構成されたことを特徴とする旋回式作業機械の旋回制御装置。
旋回停止時に作動して旋回体を旋回停止状態に保持するメカニカルブレーキが設けられたことを特徴とする請求項１記載の旋回式作業機械の旋回制御装置。
電動機制御手段は、旋回起動時に、サーボロック制御により電動機を速度０に保持した後にメカニカルブレーキを解除するように構成されたことを特徴とする請求項２記載の旋回式作業機械の旋回制御装置。
電動機制御手段は、旋回停止直前に制動トルクを０またはそれに近い値に制御するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の旋回式作業機械の旋回制御装置。
電動機制御手段は、旋回以外の動作を行うための他のアクチュエータの作動と連動して電動機のトルクを制御するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の旋回式作業機械の旋回制御装置。
電動機制御手段は、予め設定された旋回角度についての条件に従ってトルクを制御するように構成されたことを特徴とする請求項５記載の旋回式作業機械の旋回制御装置。