JP4510047B2 - 作業機械の旋回制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電動機によって旋回体を旋回駆動するショベルやクレーン等の作業機械の旋回制御装置に関するものである。

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、通常、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。

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。

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が多くてエネルギー損失が大きいという問題があった。

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（特許文献１参照）。

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。

これらの電動機旋回駆動方式においては、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旋回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。

一方、この電動機旋回駆動方式をとる場合、普通は、レバー操作量に対応する目標速度と実際速度の偏差を無くする方向に速度を制御するフィードバック速度制御方式が用いられる。
特開平１１−９３２１０号

この速度制御方式をとる場合、レバー中立で指令速度が０のときに制動トルクが働いて旋回体が停止するが、一旦、電動機回転速度が０となると、この速度０を維持するようなトルク（停止保持力）は出力されないため、確実な停止保持作用が得られない。

そこで、停止保持のための制御方式として、位置保持制御（サーボロック制御＝位置センサからの信号に基づいて旋回体をその場に保持するための制御）を用いることが考えられる。

しかし、この位置保持制御では、旋回体を停止状態に保持するための電流を常に電動機に流さなければならないため、エネルギーロスが大きいという問題がある。

一方、別の停止保持方式として、油圧駆動方式の作業機械に装備されているメカニカルブレーキを採用することが考えられる。

しかし、メカニカルブレーキは、元々、パーキングブレーキとして、旋回体停止状態で作動する構造となっており、これをそのまま電動機駆動旋回方式において電動機を減速・停止させる手段として用いると、ブレーキの消耗が激しいとともに、ブレーキオン／オフのショックによって減速・加速時の旋回体の動きがぎくしゃくし、スムーズな旋回停止／加速作用が得られないという問題がある。

なお、メカニカルブレーキを減速兼停止保持用に改造することは可能であるが、コストが高騰するため得策でない。

そこで本発明は、このような問題を解決し、旋回体を停止状態に確実に保持できるとともに、旋回減速・停止及び加速作用をスムーズに行わせることができ、しかも停止保持のためのエネルギーロスがなく、かつ、既存のメカニカルブレーキをそのまま使用することができる作業機械の旋回制御装置を提供するものである。

請求項１の発明は、旋回体を旋回駆動する電動機と、旋回指令を出す操作手段と、この操作手段からの旋回指令に基づいて上記電動機を制御する制御手段と、旋回速度を検出する旋回速度検出手段と、機械的ブレーキ力を発生させるメカニカルブレーキとを具備し、上記制御手段には、予め、上記操作手段の操作量が０の絶対中立点に幅を加えた中立範囲が設定されるとともに、この中立範囲において、上記絶対中立点側にメカニカルブレーキ区間、反対側に位置保持制御区間がそれぞれ設定され、制御手段は、
（Ｉ） 上記中立範囲におけるメカニカルブレーキ区間で上記メカニカルブレーキを働かせ、
（ＩＩ） 上記位置保持制御区間で位置保持制御を行うことによって上記旋回体を停止保持し、
（ＩＩＩ） 上記中立範囲外で上記操作手段の操作量に応じた速度制御を行い、
（ＩＶ） 旋回減速時に、操作手段の操作量がメカニカルブレーキ区間にあり、かつ、旋回速度が予め設定されたブレーキ作動速度以下になった状態が設定時間継続したときにメカニカルブレーキを作動させる
ように構成されたものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、中立範囲におけるメカニカルブレーキ区間と位置保持制御区間の一部同士が重なる併用区間が設定され、制御手段は、この併用区間でメカニカルブレーキと位置保持制御作用の双方を働かせるように構成されたものである。

本発明によると、旋回停止状態でメカニカルブレーキが働くため、位置保持制御で停止保持する場合のようにその場保持のための電流を常時電動機に流す必要がなく、省エネルギーとなる。また、停止状態でメカニカルブレーキを働かせるため、メカブレーキを減速兼用に改造する必要がなく、既存のものをそのまま使用することができる。

しかも、速度制御との境界部分では位置保持制御が働くため、メカニカルブレーキのみで減速／停止させる場合のように、ブレーキが激しく消耗するおそれがないとともに、旋回加速・減速時にメカニカルブレーキのオン・オフのショックがなくて、滑らかな加速・減速作用を得ることができる。

また、旋回減速時に、メカニカルブレーキ区間に入っても直ちにメカニカルブレーキを作用させず、設定速度以下（たとえば速度０）の状態が継続したときに作用させるため、たとえばある地点で掘削して土砂をすくい、旋回してダンプカーに積み込む作業のように旋回→停止→旋回を連続して繰り返す作業時に、メカニカルブレーキの消耗とショックの発生を防止し、スムーズな動作を得ることができる。

請求項２の発明によると、位置保持制御とメカニカルブレーキの双方が同時に働く併用区間を設定しているため、加速時におけるメカニカルブレーキ作用から位置保持制御への移行、及び減速時における位置保持制御からメカニカルブレーキ作用への移行をショックなくスムーズに行わせることができる。

この実施形態ではショベルを適用対象として例にとっている。

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。

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。

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がそれぞれ走行モータ１１Ｌ，１１Ｒ及び減速機１２Ｌ，１２Ｒにより回転駆動されて走行する。

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及び同減速機構１８が搭載されている。

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。

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、電圧及び電流を制御する制御器２５を介してバッテリ１６に蓄えられるとともに、制御手段の一部であるインバータ２６を介して旋回用電動機１７に加えられる。

旋回用電動機１７には、機械的ブレーキ力を発生させる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。

２８は旋回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制御手段の一部であるコントローラ２９に入力される。

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、上部旋回体２の旋回停止位置を０点として検出する位置センサ（たとえばエンコーダ）３１が設けられ、この両センサ３０，３１からの信号がインバータ２６経由でコントローラ２９に制御データとして入力される。

コントローラ２９には、予め、図３に示すように、旋回操作部２８の操作量が０である絶対中立点Ｏに左右の旋回方向に所定の幅（たとえば操作レバー２８ａの倒し角度で左右各７．５゜）を持たせた中立範囲Ｎが設定され、この中立範囲Ｎを超えてレバー操作されたときに図示の特性に基づく速度制御が行われるとともに、図４に示すように、中立範囲Ｎ内でレバー操作量に応じて制御モードを切換えるように構成されている。

すなわち、中立範囲Ｎ内には、メカニカルブレーキ２７がブレーキ作用を発揮するメカニカルブレーキ区間Ｂが、絶対中立点Ｏを含む内側領域に設定されるとともに、位置保持制御（位置センサ３１からの信号に基づいて旋回体２をその場に保持するための制御）が行われる位置保持制御区間Ａが外側領域に設定されている。

両区間Ｂ，Ａは、図示のように一部重複して設定され、この重複した併用区間Ｃでメカニカルブレーキ作用と位置保持制御作用が同時に行われる。

図４中、ＬｎＬ，ＬｎＲは中立範囲Ｎを画する左右両旋回方向の中立識別点、ＬｂＬ，ＬｂＲはメカニカルブレーキ区間Ｂの始終点となるメカニカルブレーキ識別点、ＬｚＬ，ＬｚＲは位置保持制御の始終点となる位置保持制御識別点である。

旋回用電動機１７は、このような設定に基づき、コントローラ２９及びインバータ２６によって次のように制御される。

旋回加速時
レバー操作量が図４のメカニカルブレーキ区間Ｂにあるときはメカニカルブレーキ２７が作動し、このメカニカルブレーキ力のみによって旋回体２が停止状態に保持される。

次に、レバー操作量がメカニカルブレーキ区間Ｂと位置保持制御区間Ａの境界部分である併用区間Ｃに達すると位置保持制御が働き、メカニカルブレーキ力とこの位置保持制御作用とによって旋回体２が停止保持される。

レバー操作量が併用区間Ｃを超えると、メカニカルブレーキ２７が解除されて位置保持制御のみが働き、この位置保持制御の作用によって旋回体２がその場保持される。

さらに、レバー操作量が位置保持制御区間Ａ（中立範囲Ｎ）を超えると、位置保持制御もオフとなり、旋回用電動機１７が図３に示す特性に基づいて速度制御されながら回転し、旋回加速が行われる。

このように、停止状態でメカニカルブレーキ２７が働くため、位置保持制御で停止保持する場合のようにその場保持のための電流を常時旋回用電動機１７に流す必要がなく、省エネルギーとなる。

しかも、速度制御との境界部分（位置保持制御区間Ａ）では位置保持制御が働くため、メカニカルブレーキ２７のみで停止保持する場合のように、旋回加速時にメカニカルブレーキ・オフによるショックがなくて、滑らかな加速作用を得ることができる。

また、位置保持制御作用とメカニカルブレーキ２７の双方が同時に働く併用区間Ｃを設定しているため、加速時におけるメカニカルブレーキ作用から位置保持制御への移行、及び次に述べる減速時における位置保持制御からメカニカルブレーキ作用への移行をショックなくスムーズに行わせることができる。

旋回減速時
操作レバー２８ａが中立範囲Ｎ外の旋回指令位置から中立範囲Ｎに戻されて位置保持制御区間Ａに入ると、減速・停止のための制御が開始される。

このとき、速度センサ３０によって検出される実際の旋回速度が、予めコントローラ２９に設定された位置保持制御開始速度以下に落ちると、位置保持制御が有効となり、電動機１７に同制御による制動トルクが発生する。

このように、十分減速した状態で位置保持制御が開始されるため、減速不十分の状態で位置保持制御による大きな制動トルクが働いて旋回用電動機１７に過大電流が流れ、これによって同電動機１７や回路にダメージを与えるというおそれがない。

次に、レバー操作量がメカニカルブレーキ区間Ｂに入り、かつ、
（イ） 検出される実際の旋回速度が予め設定されたブレーキ作動速度以下となること、
（ロ） このブレーキ作動速度以下の状態が設定時間継続したこと
の条件を満足したときに、メカニカルブレーキ２７が作動し、旋回体２が停止保持される。

逆にいうと、レバー操作量がメカニカルブレーキ区間Ｂにあっても、上記（イ）（ロ）の条件が整わないときは、図４中の下欄中央に示すようにメカニカルブレーキ２７は解除されたまま位置保持制御のみが働く。

このように、旋回減速時に、レバー操作量がメカニカルブレーキ区間Ｂに入っても直ちにメカニカルブレーキ２７を作用させず、設定速度以下（たとえば速度０）の状態が継続したときに初めてメカニカルブレーキ２７を作用させるため、たとえばある地点で掘削して土砂をすくい、旋回してダンプカーに積み込む作業のように旋回→停止→旋回を連続して繰り返す作業時に、メカニカルブレーキ２７の消耗とショックの発生を防止し、スムーズな動作を得ることができる。

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適用対象として例にとったが、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。

また、上記実施形態では、旋回用電動機１７を中立範囲Ｎ外ではレバー操作量に応じて「速度制御」する構成をとったが、レバー操作量に応じて「トルク制限付きの速度制御」を行う構成をとってもよい。

さらに、本発明はショベルに限らず、クレーンを含む旋回式作業機械に広く適用することができる。

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。 同ショベルにおける駆動・制御系のブロック構成図である。 同ショベルにおけるレバー操作量／速度目標値の特性を示す図である。 図３の特性におけるレバー中立範囲の設定の詳細を説明するための図である。

符号の説明

２ 上部旋回体
１７ 旋回用電動機
２７ メカニカルブレーキ
２８ 旋回操作部
２８ａ 操作レバー
２６ 制御手段を構成するインバータ
２９ 同コントローラ
３０ 速度センサ
３１ 位置保持制御のための位置センサ

Claims (2)

1. 旋回体を旋回駆動する電動機と、旋回指令を出す操作手段と、この操作手段からの旋回指令に基づいて上記電動機を制御する制御手段と、旋回速度を検出する旋回速度検出手段と、機械的ブレーキ力を発生させるメカニカルブレーキとを具備し、上記制御手段には、予め、上記操作手段の操作量が０の絶対中立点に幅を加えた中立範囲が設定されるとともに、この中立範囲において、上記絶対中立点側にメカニカルブレーキ区間、反対側に位置保持制御区間がそれぞれ設定され、制御手段は、
   （Ｉ） 上記中立範囲におけるメカニカルブレーキ区間で上記メカニカルブレーキを働かせ、
   （ＩＩ） 上記位置保持制御区間で位置保持制御を行うことによって上記旋回体を停止保持し、
   （ＩＩＩ） 上記中立範囲外で上記操作手段の操作量に応じた速度制御を行い、
   （ＩＶ） 旋回減速時に、操作手段の操作量がメカニカルブレーキ区間にあり、かつ、旋回速度が予め設定されたブレーキ作動速度以下になった状態が設定時間継続したときにメカニカルブレーキを作動させる
   ように構成されたことを特徴とする作業機械の旋回制御装置。
2. 中立範囲におけるメカニカルブレーキ区間と位置保持制御区間の一部同士が重なる併用区間が設定され、制御手段は、この併用区間でメカニカルブレーキと位置保持制御作用の双方を働かせるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の作業機械の旋回制御装置。

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