JP4557187B2 - Electric motor control device - Google Patents
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Description
本発明は、慣性体を動作させる電動機を操作端の操作に基づいて制御する電動機の制御装置に関する。 The present invention relates to an electric motor control device that controls an electric motor that operates an inertial body based on an operation of an operation end.
油圧ショベル、油圧クレーンの旋回動作や、ホイールローダの走行動作を始めとして、建設機械等の大きな慣性質量を有する慣性体を動作させる駆動装置には、油圧ポンプや油圧モータを用いた油圧駆動装置が多く採用されていた。近年、油圧エネルギーを制御弁で絞り捨てるためにエネルギー損失が大きい油圧駆動装置を用いた油圧駆動方式に替えて、エネルギー損失の少ない電動機で慣性体の動作を制御する電動駆動方式が採用されつつある。電動駆動方式は、慣性体を減速させるときに、電動機を発電機として制動エネルギーを回生できる利点もある。 A hydraulic drive device using a hydraulic pump or a hydraulic motor is used as a drive device for operating an inertial body having a large inertial mass such as a construction machine or the like such as a swing operation of a hydraulic excavator or a hydraulic crane or a traveling operation of a wheel loader. Many were adopted. In recent years, an electric drive system that controls the operation of an inertial body with an electric motor with a small energy loss is being adopted instead of a hydraulic drive system that uses a hydraulic drive apparatus with a large energy loss in order to reduce the hydraulic energy with a control valve. . The electric drive system has an advantage that when the inertial body is decelerated, the braking energy can be regenerated by using the electric motor as a generator.
しかしながら、従来の油圧駆動装置を用いた油圧駆動方式は、オペレータがレバーやペダル等の操作端を操作して慣性体の動作を制御する操作性が、人間の操作感覚に適合するように操作しやすく設計されているのに対して、電動機を用いた電動駆動方式は、油圧駆動方式のような操作性と操作感覚を実現することができず、オペレータが操作し難いという問題が生じている。 However, the hydraulic drive method using the conventional hydraulic drive device is operated so that the operability of the operator controlling the operation of the inertial body by operating the operation ends such as the lever and the pedal is adapted to the human sense of operation. In contrast to the design that is easy, the electric drive system using an electric motor cannot realize the operability and operation feeling like the hydraulic drive system, and there is a problem that it is difficult for the operator to operate.
すなわち、油圧駆動方式では、操作端の操作でスプール弁のブリードオフ制御絞りやメータアウト制御絞りの開口面積を制御することにより、操作端の操作量と各々の制御絞りを流れる流量によって制御絞り前後の差圧が制御される。その差圧によって油圧モータの出力トルクが制御され、スムーズな慣性体の加速と減速および停止が行われる。一方、電動駆動方式の場合は、電動機の回転速度を制御すると、出力トルクを最大値として速度制御が行われるので、慣性体の加速や減速が急峻になり、油圧駆動方式のようなスムーズな操作性が得られず、オペレータの操作感覚も油圧駆動方式とかけ離れたものとなる問題がある。 In other words, in the hydraulic drive system, the opening area of the bleed-off control throttle and meter-out control throttle of the spool valve is controlled by the operation of the operation end, so that the amount of operation at the operation end and the flow rate through each control throttle The differential pressure is controlled. The output torque of the hydraulic motor is controlled by the differential pressure, and the inertial body is smoothly accelerated, decelerated, and stopped. On the other hand, in the case of the electric drive system, if the rotational speed of the motor is controlled, the speed control is performed with the output torque as the maximum value, so the acceleration and deceleration of the inertial body becomes steep and smooth operation like the hydraulic drive system There is a problem that the operational feeling of the operator is far from the hydraulic drive system.
このような問題を解消するために、電動駆動方式で建設機械等の慣性体を動作させるときの操作性や操作感覚を、油圧駆動方式のものに近づける研究開発が進められ、操作性や操作感覚を油圧駆動方式のものに近づけるように、電動機の出力トルクを操作端の操作に基づいて制御するいくつかの手段が提案されている(例えば、特許文献1−2参照)。 In order to solve these problems, research and development to move the operability and operation feeling when operating an inertial body such as a construction machine with an electric drive system to those of a hydraulic drive system has been promoted. Some means have been proposed for controlling the output torque of the electric motor based on the operation of the operation end so that the pressure is close to that of the hydraulic drive system (see, for example, Patent Document 1-2).
特許文献1に記載された建設機械の駆動装置では、操作端の操作量に対して予め定められた関数関係に基づいて第1の目標トルクを算出するとともに、操作端の操作量に対して予め定められた関数関係に基づいて電動機の目標速度を算出して、この電動機の目標速度と実速度との速度偏差に対して予め定められた関数関係に基づいて第2の目標トルクを算出し、これらの第1および第2の目標トルクのうち絶対値が小さい方の目標トルクを目標値として、電動機の出力トルクを制御するようにしている。すなわち、特許文献1に記載されたものは、例えば、電動機の目標速度と実速度との速度偏差が大きくなる加速操作時には、オペレータの操作量に基づいて算出される第1の目標トルク(<第2の目標トルク)を目標値とし、電動機の速度が増大して速度偏差が小さくなったときは、速度偏差に基づいて算出される第2の目標トルク(<第1の目標トルク)を目標値とし、第1の目標トルクと第2の目標トルクのうち絶対値が小さい方の目標トルクを目標値として選択することにより、加速の過渡期等にオペレータの操作量通りのトルク制御特性が得られるようにしている。更に、電動機の実速度に対して予め定められた関数関係に基づいて算出した許容最大トルクを第3の目標トルクとし、第1および第2の目標トルクに第3の目標トルクも含めて、これらの目標トルクのうち絶対値が最も小さいものを目標トルクとし、電動機の過負荷を防止することも提案している。 In the construction machine drive device described in
特許文献2に記載された建設機械の旋回駆動装置では、旋回駆動指令を与えるレバー装置の入力量に応じて、擬似的に旋回駆動系が油圧ポンプ−方向制御弁−油圧モータの場合の起動トルクと制動トルクを演算し、起動トルクと制動トルクの差分を、旋回を駆動する電動機の駆動トルクとする制御手段を備えている。また、レバー装置の入力量と電動機の実回転数を入力量とし、レバー入力量−トルクテーブルと、実回転数−トルクテーブルとを備え、各テーブルより得られるトルク値の最小値を起動トルクとすることを特徴としている。以上のように構成することにより、電動機による旋回駆動装置においても油圧式駆動方式と同様な操作特性を得ることができ、オペレータの操作による旋回体の流れや急停止も防止できて安全性を向上することができるとしている。更に、出力を可変できる出力制御ダイアルを備え、出力制御ダイアルの指令値に比例して起動トルクの値を減じることにより、オペレータが指令トルクを変更できて好みの旋回動作が得ることができるようにしている。 In the swing drive device for a construction machine described in
特許文献1に記載されたものは、操作量に基づく第1の目標トルクと、電動機の速度偏差に基づく第2の目標トルクのうちの絶対値が小さいほうの目標トルクを目標値として電動機の出力トルクを制御するもので、以下に示すように、油圧駆動の場合のコントロールバルブによる制御方法とは本質的に異なっている。油圧駆動のコントロールバルブによる制御では、操作端の操作によってコントロールバルブのスプール開口面積(制御絞りの大きさ)を制御し、そのスプール開口を流れる流量に差圧を与えることによりアクチュエータの駆動圧力、あるいは、アクチュエータの制動圧力を制御する。すなわち、操作量によって決まるスプール開口面積と流量の二つの独立変数の組み合わせによってアクチュエータの駆動圧力や制動圧力が決まる訳で、いずれか一方の変数によって決まる圧力の内の低い方の圧力が選択されている訳ではない。従って、特許文献1の技術では、油圧駆動方式と同様の制御を実現することができず、その操作性や操作感覚も油圧駆動方式のものと異なるという問題がある。
特許文献2に記載されたものは、建設機械の旋回駆動装置において、旋回駆動指令を与えるレバー装置の入力量に応じて、擬似的に旋回駆動系が油圧ポンプ−方向制御弁−油圧モータの場合の起動トルクと制動トルクを演算し、起動トルクと制動トルクの差分を、旋回を駆動する電動機の駆動トルクとする制御手段を備えているので、油圧駆動と同様の制御特性を電動機駆動で実現することができる。しかし、擬似的とは言え油圧駆動の機器の特性を介して電動機駆動の制御に置き換えるために、コントロールバルブなどの油圧機器の構造の影響を受けて自由な制御設計ができず、あるいは、制御のための演算が煩雑になるという問題がある。
また、レバー装置の入力量と電動機の実回転数を入力量とし、レバー入力量−トルクテーブルと、実回転数−トルクテーブルとを備え、各テーブルより得られるトルク値の最小値を起動トルクとすることを特徴としているが、そうすると、特許文献1が有する問題と同じ理由によって、油圧駆動方式と同様の制御を実現することができず、その操作性や操作感覚も油圧駆動方式のものと異なるという問題がある。 Further, the input amount of the lever device and the actual rotational speed of the electric motor are used as the input amount, and the lever input amount-torque table and the actual rotational speed-torque table are provided, and the minimum torque value obtained from each table is the starting torque. However, for the same reason as the problem of
さらに、出力制御ダイアルの指令値に比例して起動トルクの値を減じると、旋回駆動装置として必要な最大トルクが出なくなって問題である。例えば、傾斜地で作業をしている場合には、傾斜面の上り方向に旋回する力が弱くなって、作業能力が低下する。 Furthermore, if the value of the starting torque is reduced in proportion to the command value of the output control dial, the maximum torque necessary for the turning drive device is not generated, which is a problem. For example, when working on an inclined ground, the force of turning in the upward direction of the inclined surface becomes weak, and the working ability is reduced.
そこで、本発明の課題は、簡単なアルゴリズムに基づく制御で、油圧駆動方式と同様の操作性と操作感覚を得ることができるとともに、電動機の速度が装置としての最大値以下の速度制限値に設定された場合に、最大トルクが出力可能であるとともにスムーズなトルク制御ができる電動機の制御装置を提供することである。 Therefore, the problem of the present invention is that control similar to that of a hydraulic drive system can be obtained by control based on a simple algorithm, and the speed of the motor is set to a speed limit value equal to or less than the maximum value of the apparatus. In such a case, it is an object of the present invention to provide an electric motor control device that can output a maximum torque and perform smooth torque control.
上記の課題を解決するために、本発明は、慣性体を動作させる電動機の回転運動を操作量を可変とする操作端の操作によって制御し、前記操作量を検出する操作検出手段と、前記電動機の回転速度を検出する回転検出手段と、これらの操作検出手段と回転検出手段の各検出値に基づいて前記電動機を制御する電動機制御手段を備えた電動機の制御装置において、前記電動機の出力トルクが前記操作量と前記回転速度に応じて定まり、前記出力トルクと前記回転速度を前記電動機の制御装置としての最大トルク以下および最大回転速度以下に制限し、前記回転速度を前記最大回転速度とは別の制限値に設定する回転速度制限値設定手段を設け、前記回転速度制限値設定手段の値が前記最大回転速度以下の回転速度制限値に設定された場合に、前記操作量と前記回転速度に応じて定まる前記出力トルクの値を、設定された前記回転速度制限値と前記最大回転速度の比に応じて制御することを特徴とする構成を採用した。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides an operation detection means for controlling the rotational motion of an electric motor that operates an inertial body by operating an operation end having a variable operation amount, and detecting the operation amount, and the electric motor. In the motor control device comprising a rotation detection means for detecting the rotation speed of the motor, and an electric motor control means for controlling the electric motor based on the detected values of the operation detection means and the rotation detection means, the output torque of the electric motor is The output torque and the rotation speed are determined according to the operation amount and the rotation speed, the output torque and the rotation speed are limited to a maximum torque or less and a maximum rotation speed or less as a control device of the electric motor, and the rotation speed is different from the maximum rotation speed. A rotation speed limit value setting means for setting the rotation speed limit value is set, and when the value of the rotation speed limit value setting means is set to a rotation speed limit value equal to or less than the maximum rotation speed, The value of the output torque operation amount and determined in response to said rotational speed, to use a construction where and controlling in accordance with the set ratio of the rotational speed limit value and the maximum rotational speed.
すなわち、操作端の操作量を検出する操作検出手段と、電動機の回転速度を検出する回転検出手段の各検出値に基づいて電動機を制御する電動機制御手段を備えた電動機の制御装置において、電動機の出力トルクが操作端の操作量と電動機の回転速度に応じて定まることにより、オペレータによる操作端の操作量と電動機の回転速度に見合うように電動機の出力トルクを制御することが可能となって、慣性体が油圧駆動方式のようにスムーズに動作するようにし、回転速度制限値設定手段によって電動機制御装置としての最大回転速度以下の回転速度制限値に回転速度が設定された場合にも、操作端の操作量と電動機の回転速度に応じて定まる電動機の出力トルクの値を、設定された回転速度制限値と最大回転速度の比に応じて制御することにより、回転速度の制限を行っても電動機制御装置としての最大トルクが出力可能で、かつ、レバー操作量と電動機の回転速度に応じたスムーズなトルク制御ができる。 That is, in an electric motor control device including an operation detection unit that detects an operation amount of an operation end and an electric motor control unit that controls the electric motor based on each detection value of a rotation detection unit that detects the rotation speed of the electric motor. By determining the output torque according to the operation amount of the operation end and the rotation speed of the electric motor, it becomes possible to control the output torque of the electric motor so as to match the operation amount of the operation end by the operator and the rotation speed of the electric motor. Even when the inertial body operates smoothly like a hydraulic drive system and the rotation speed is set to a rotation speed limit value that is equal to or less than the maximum rotation speed as the motor control device by the rotation speed limit value setting means, The output torque value of the motor determined according to the operation amount of the motor and the rotation speed of the motor is controlled according to the ratio between the set rotation speed limit value and the maximum rotation speed. More, even if the limit of the rotational speed and the maximum possible torque output of the motor controller, and can smooth torque control according to the rotation speed of the lever operation amount and the electric motor.
前記操作端が前記操作量のほかに操作方向をプラスマイナス両方向に可変として、前記電動機をプラスマイナス両方向に回転させるものであり、前記操作検出手段を前記操作量と前記操作方向を検出するものとし、前記回転検出手段を前記回転速度とプラスマイナスの回転方向を検出するものとし、前記出力トルクが前記電動機によって慣性体を駆動する力行トルクと慣性体によって前記電動機が駆動される回生トルクとからなり、前記力行トルクの絶対値が、前記操作量の絶対値が大きくなると大きくなり、前記回転速度の絶対値が大きくなると小さくなることを特徴とする構成を採用することにより、ホイールローダの走行制御のように、操作端としてのペダルの操作で電動機を一方向に回転させるものだけでなく、ショベルやクレーンの旋回制御のように、操作端としてのレバーの操作で電動機をプラスマイナス両方向に回転させるものにも適用することができるとともに、油圧駆動方式におけるブリードオフ圧力の制御と同様の制御特性を持たせて、オペレータが目標とする動作速度に制御しやすくすることができる。 In addition to the operation amount, the operation end makes the operation direction variable in both plus and minus directions, rotates the electric motor in both plus and minus directions, and the operation detecting means detects the operation amount and the operation direction. The rotation detection means detects the rotation speed and the plus / minus rotation direction, and the output torque is composed of a power running torque for driving the inertial body by the motor and a regenerative torque for driving the motor by the inertial body. By adopting a configuration in which the absolute value of the power running torque increases as the absolute value of the operation amount increases and decreases as the absolute value of the rotational speed increases, As well as excavators and cranes that rotate the electric motor in one direction by the operation of the pedal as the operation end It can be applied to the one that rotates the motor in both plus and minus directions by operating the lever as the operation end, such as turning control, and has the same control characteristics as the bleed-off pressure control in the hydraulic drive system. The operation speed can be easily controlled by the operator.
すなわち、図7に示すような、スプール弁51を操作することにより油圧ポンプ52で油圧モータ53を駆動する油圧駆動装置では、図8に示すように、操作端の操作量が大きくなると、スプール弁51のブリードオフ制御絞り51aの開口面積が小さくなり、ブリードオフ圧力P0が高くなって、油圧モータ53の駆動トルクが大きくなるとともに、油圧モータ53の回転速度が大きくなるほどブリードオフ流量が少なくなり、同じ操作量でブリードオフ制御絞り51aの開口面積が一定であっても、ブリードオフ圧力P0が低くなって駆動トルクが小さくなるように制御される。したがって、油圧モータ53の回転速度が上昇すると駆動トルクが次第に小さくなり、駆動系の摩擦または油圧配管系統やスプール弁51の圧損による駆動抵抗と見合う値で慣性体の加速がなくなって、オペレータが目標とする動作速度に制御される。よって、上項の特徴により、このような油圧駆動方式のブリードオフ圧力P0の制御と同様の制御特性を持たせることができる。 That is, in the hydraulic drive apparatus that drives the
なお、図6に示したスプール弁51のメータイン制御絞り51bは、同一の油圧ポンプ52で他のアクチュエータを作動させる場合に、油圧モータ53のメータイン圧力P1を制御するためや、油圧モータ53の駆動圧力に抵抗をつけるためのものであり、ブリードオフ圧力P0の制御によって駆動圧力すなわち駆動トルクを制御することが基本制御特性となっている。 The meter-in
前記回生トルクの絶対値が、前記操作量の絶対値が小さくなると大きくなり、前記回転速度の絶対値が小さくなると小さくなることを特徴とする構成を採用することにより、油圧駆動方式におけるメータアウト圧力の制御と同様の制御特性を持たせ、オペレータが目標とする動作速度に制御しやすくすることができる。 By adopting a configuration in which the absolute value of the regenerative torque increases as the absolute value of the manipulated variable decreases and decreases as the absolute value of the rotational speed decreases, the meter-out pressure in the hydraulic drive system is adopted. Control characteristics similar to those of the above control can be provided, so that the operator can easily control the target operation speed.
すなわち、図7に示したような油圧駆動装置では、図9に示すように、スプール弁51のメータアウト制御絞り51cは、操作端の操作量が零からある値になると開口し始めて、操作量の増加に伴って開口面積が大きくなる。この状態で操作量を小さくするように戻すと、メータアウト圧力P2が高くなり、同じ操作量でも、油圧モータ53の回転速度が小さくなるとメータアウト制御絞り51cを流れる流量が減り、メータアウト圧力P2は低くなるように制御される。したがって、油圧モータ53のある回転速度から操作端の操作量を戻すと、回転速度が大きな時点では制動トルクが大きく、回転速度が低下するにつれて制動トルクが小さくなり、制動トルクや駆動系の摩擦が駆動トルクと見合う値で慣性体の減速がなくなって、オペレータが目標とする動作速度に制御される。よって、上記アルゴリズムを組み込むことにより、このような油圧駆動方式のメータアウト圧力P2の制御と同様の制御特性を持たせることができる。 That is, in the hydraulic drive apparatus as shown in FIG. 7, as shown in FIG. 9, the meter-out
前記操作端の操作量と前記電動機の回転速度に応じて定まる前記出力トルクが、前記操作端の操作量と前記電動機の回転速度とで一義的に定まることを特徴とする構成を採用することにより、油圧駆動方式のコントロールバルブの一本のスプールにブリードオフ制御やメータアウト制御を組み合わせた特性と同一の制御特性を持たせて、油圧駆動方式と同等の良好な操作性を実現できると共に、制御アルゴリズムが非常に簡単になるという特徴が生じる。 By adopting a configuration in which the output torque determined according to the operation amount of the operation end and the rotation speed of the electric motor is uniquely determined by the operation amount of the operation end and the rotation speed of the electric motor. The same control characteristics as the combination of bleed-off control and meter-out control are given to a single spool of a hydraulically driven control valve to achieve good operability equivalent to that of a hydraulically driven system. The feature is that the algorithm becomes very simple.
前記電動機で動作する慣性体は、建設機械の旋回動作あるいは走行車両の走行動作する慣性体とすることができる。 The inertial body that operates with the electric motor may be an inertial body that performs a turning operation of a construction machine or a traveling operation of a traveling vehicle.
本発明の電動機の制御装置は、操作端の操作量を検出する操作検出手段と、電動機の回転速度を検出する回転検出手段の各検出値に基づいて電動機を制御する電動機制御手段とを備え、電動機の出力トルクが操作端の操作量と電動機の回転速度に応じて定まるようにすることにより、オペレータによる操作端の操作量と電動機の回転速度に見合うように電動機の出力トルクを制御することが可能となって、慣性体が油圧駆動方式のようにスムーズに動作し、回転速度制限値設定手段によって電動機制御装置としての最大回転速度以下の回転速度制限値に回転速度が設定された場合にも、操作端の操作量と電動機の回転速度に応じて定まる電動機の出力トルクの値を、設定された回転速度制限値と最大回転速度の比に応じて制御することにより、回転速度の制限を行っても電動機制御装置としての最大トルクが出力可能で、かつ、レバー操作量と電動機の回転速度に応じたスムーズなトルク制御ができる。 The motor control device of the present invention comprises operation detection means for detecting the operation amount of the operation end, and motor control means for controlling the motor based on each detection value of the rotation detection means for detecting the rotation speed of the motor, By controlling the output torque of the motor according to the operation amount of the operation end and the rotation speed of the motor, the output torque of the motor can be controlled to match the operation amount of the operation end by the operator and the rotation speed of the motor. Even when the inertial body operates smoothly like a hydraulic drive system and the rotation speed is set to a rotation speed limit value that is less than or equal to the maximum rotation speed as the motor control device by the rotation speed limit value setting means. By controlling the output torque value of the motor determined according to the operation amount of the operating end and the rotation speed of the motor according to the ratio between the set rotation speed limit value and the maximum rotation speed Performing a rotational speed limit can output maximum torque as the motor control device, and can smooth torque control according to the rotation speed of the lever operation amount and the electric motor.
前記操作端が操作量のほかに操作方向をプラスマイナス両方向に可変として、前記電動機をプラスマイナス両方向に回転させるものである場合は、前記操作検出手段を前記操作端の操作量とプラスマイナスの操作方向を検出するものとし、前記回転検出手段を前記電動機の回転速度とプラスマイナスの回転方向を検出するものとし、前記目標トルクが前記電動機によって慣性体を駆動する力行トルクと前記慣性体によって電動機が駆動される回生トルクとからなり、前記力行トルクの絶対値が、前記操作端の操作量の絶対値が大きくなると大きくなり、前記電動機の回転速度の絶対値が大きくなると小さくなる演算アルゴリズムを組み込むことにより、ホイールローダの走行制御のように、操作端としてのペダルの操作で電動機を一方向に回転させるものだけでなく、ショベルやクレーンの旋回制御のように、操作端としてのレバーの操作で電動機をプラスマイナス両方向に回転させるものにも適用することができるとともに、油圧駆動方式におけるブリードオフ圧力の制御と同様の制御特性を持たせて、オペレータが目標とする動作速度に制御しやすくすることができる。 In the case where the operation end is variable in both plus and minus directions in addition to the operation amount, and the electric motor is rotated in both plus and minus directions, the operation detecting means is operated in the plus or minus operation amount of the operation end. The rotation detection means detects the rotation speed of the motor and the plus / minus rotation direction, and the motor is driven by the inertial body and the power running torque that drives the inertial body by the motor. Incorporating a calculation algorithm that includes a regenerative torque to be driven, and that the absolute value of the power running torque increases as the absolute value of the operation amount of the operating end increases and decreases as the absolute value of the rotational speed of the electric motor increases. By rotating the motor in one direction by operating the pedal as the operating end It can be applied not only to those that rotate, but also to those that rotate the motor in both positive and negative directions by operating the lever as the operation end, such as excavator and crane turning control, and the bleed-off pressure in the hydraulic drive system Control characteristics similar to those of the control can be provided so that the operator can easily control the target operation speed.
前記演算アルゴリズムに、前記回生トルクの絶対値が、前記操作端の操作量の絶対値が小さくなると大きくなり、前記電動機の回転速度の絶対値が小さくなると小さくなる演算アルゴリズムを組み込むことにより、油圧駆動方式におけるメータアウト圧力の制御と同様の制御特性を持たせて、オペレータが目標とする動作速度に制御しやすくすることができる。 Incorporating a calculation algorithm into the calculation algorithm such that the absolute value of the regenerative torque increases when the absolute value of the operation amount at the operating end decreases and decreases when the absolute value of the rotation speed of the motor decreases. The control characteristic similar to the control of the meter-out pressure in the system can be provided so that the operator can easily control to the target operation speed.
前記操作端の操作量と前記電動機の回転速度に応じて定まる前記出力トルクが、前記操作端の操作量と前記電動機の回転速度とで一義的に定まることにより、油圧駆動方式のコントロールバルブの一本のスプールにブリードオフ制御やメータアウト制御を組み合わせた特性と同一の制御特性を持たせて、油圧駆動方式と同等の良好な操作性を実現できる。 The output torque determined according to the operation amount of the operation end and the rotation speed of the electric motor is uniquely determined by the operation amount of the operation end and the rotation speed of the electric motor. By providing the spool with the same control characteristics as a combination of bleed-off control and meter-out control, it is possible to realize good operability equivalent to that of the hydraulic drive system.
上述のような電動機の制御装置を、建設機械の旋回動作または走行動作する走行車両の慣性体を駆動する電動機の制御装置として使用することで、油圧駆動方式と同様な制御特性を有した装置として非常に操作しやすい装置とすることができる。 By using the motor control device as described above as a motor control device that drives an inertial body of a traveling vehicle that performs a turning operation or a traveling operation of a construction machine, the device has control characteristics similar to those of a hydraulic drive system. The device can be very easy to operate.
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明に係る電動機の制御装置を組み込んだ油圧ショベルを示す。この油圧ショベルは、クローラ式の下部走行体20と、下部走行体20の上で左右に旋回動作する慣性体としての上部旋回体30と、この旋回体30の前部に装着された掘削アタッチメント40とから成る。下部走行体20は、走行用油圧モータ21と減速機22で左右のクローラ23が個別に駆動されて走行する。また、掘削アタッチメント40は、ブーム41、アーム42およびバケット43と、これらを作動させるブームシリンダ41a、アームシリンダ42aおよびバケットシリンダ43aを具備している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a hydraulic excavator incorporating an electric motor control device according to the present invention. The hydraulic excavator includes a crawler type lower traveling
前記旋回体30には、エンジン31、エンジン31によって駆動される油圧ポンプ32と発電機33、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置34、および、旋回体30を旋回動作させる電動機1と減速機35が搭載されている。油圧ポンプ32の吐出油は、走行用油圧モータ21とブーム41、アーム42およびバケット43の各シリンダ41a、42a、43aに、それぞれ制御弁を介して供給される。また、発電機33の電力は、図2に示すようにコンバータ36で電圧、電流が制御されて蓄電装置34に蓄えられるとともに、後述するインバータ4を介して電動機1に供給される。電動機1は永久磁石を回転子とする永久磁石式モータであり、本発明に係る電動機の制御装置は、この電動機1を制御して、旋回体30を旋回動作させるものである。 The revolving
図2は、前記電動機1の制御装置の構成を示すブロック図である。この制御装置は、操作端としての操作レバー2のプラスマイナス両方向の操作量Xを検出する操作検出手段2aと、電動機の回転速度制限値Yを設定する回転速度制限値設定手段5と、両方向に回転する電動機1のプラスマイナスの回転速度Nを検出する回転検出手段1aと、これらの検出された操作レバー2の操作量Xと回転速度制限値Yおよび電動機1の回転速度Nから、電動機1が負担すべき目標トルクToの方向と大きさを演算する演算手段としてのコントローラ3と、発電機33または蓄電装置34から供給される電力に対して、電動機1の出力トルクTをコントローラ3で演算された目標トルクToの方向と大きさに制御する電動機制御手段としてのインバータ4とで構成されている。 FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the control device of the
前記コントローラ3にはメモリ3aが設けられ、油圧駆動方式の制御特性を表現するように、目標トルクToを駆動トルクTaと被駆動トルクTbとに分けて演算する演算アルゴリズム3bが、予めメモリ3aに記憶されている。目標トルクToは駆動トルクTaと被駆動トルクTbの和として演算され、演算された目標トルクToは、操作レバー2の操作方向と同方向に出力されるものとなる場合は力行トルクとなり、操作方向と逆方向に出力されるものとなる場合は回生トルクとなる。また、メモリ3aには、電動機制御装置としての最大トルクと最大回転速度が記憶されている。インバータ4は、信号変換回路4aと電流制御回路4bを備え、信号変換回路4aでコントローラ3から入力される目標トルクToを目標電流Ioに変換し、電流制御回路4bで電動機1への出力電流Iを目標電流Ioとするようにフィードバック制御する。 The
図3は、前記演算アルゴリズム3bで目標トルクToを演算する基本マップを示す。この基本マップは、横軸を操作レバー2のプラスマイナスの操作量X、縦軸を目標トルクToとし、これらの関係を、電動機1のプラスマイナスの回転速度Nをパラメータとした特性曲線で表したものであり、操作量Xと目標トルクToが同符号となる第1象限と第3象限では、目標トルクToが力行トルクとなり、操作量Xと目標トルクToが異符号となる第2象限と第4象限では、目標トルクToが回生トルクとなる。すなわち、第1象限では右旋回力行、第2象限では左旋回回生、第3象限では左旋回力行、第4象限では右旋回回生となる。なお、図3のグラフでは、マップを見やすくするために、パラメータの回転速度Nを無次元数としてN=0、1/2、1(最大速度)の場合についてのみ、各特性曲線を表示している。 FIG. 3 shows a basic map for calculating the target torque To by the
前記基本マップの第1象限と第3象限では、力行トルクとなる目標トルクToの絶対値が、操作レバー2の操作量Xの絶対値が大きくなると大きくなり、操作量Xが一定であっても、電動機1の回転速度Nの絶対値が大きくなると小さくなるように演算され、油圧駆動方式のブリードオフ圧力の制御と同様の制御特性が得られるようになっている。また、基本マップの第2象限と第4象限では、回生トルクとなる目標トルクToの絶対値が、操作量Xの絶対値が小さくなると大きくなり、操作量Xが一定であっても、回転速度Nの絶対値が小さくなると小さくなるように演算され、油圧駆動方式におけるメータアウト圧力の制御と同様の制御特性が得られるようになっている。 In the first quadrant and the third quadrant of the basic map, the absolute value of the target torque To, which is the power running torque, increases as the absolute value of the operation amount X of the
さらに、図3に示した基本マップでは、操作量Xが零を含む中立範囲のときと、操作レバー2の操作方向と電動機1の回転方向が逆方向のときに、力行トルクが零、回生トルクの絶対値が最大値Tmaxに設定されている。したがって、例えば、第4象限の状態で回転速度N=1/2(Q1点)のときに、図中に矢印で示すように、操作レバー2の操作量XをX1から−X2へ電動機1の回転方向と逆方向に操作すると、回転速度Nが零になるまでの間、回生トルクがTmaxで出力されて右旋回が減速され、回転速度Nが零になると、第3象限で操作量Xを−X2としたときの回転速度N=0(Q2点)に相当する力行トルクが出力されて、旋回体30を左旋回させるように加速開始する。なお、この実施形態では、力行トルクの絶対値も、回生トルクと同じ最大値Tmaxに設定されている。 Further, in the basic map shown in FIG. 3, the power running torque is zero and the regenerative torque when the operation amount X is in a neutral range including zero and when the operation direction of the
図4は、前記演算アルゴリズム3bで目標トルクToを演算する基本マップを、図3とは別の見方で表現したものである。すなわち、この基本マップは、横軸を電動機1のプラスマイナスの回転速度N、縦軸を目標トルクToとして、これらの関係を、操作レバー2の操作量Xをパラメータとして表現した特性曲線である。目標トルクToが操作端の操作量Xと前記電動機の回転速度の絶対値Nで一義的に定まるので、To=f(X,N)として示される所定の関係式を、Nをパラメータとして図3のように、あるいはXをパラメータとして図4のように、いずれの図のようにも表現することができる。図4では、第1象限から第4象限の内の第1象限と第4象限のみを示しており、第1象限では右旋回力行、第4象限では右旋回回生となる。パラメータの操作量Xは、0から最大操作量の間を1から5の段階でのみ示している。目標トルクの最大値は絶対値でTmax、回転速度の最大値は絶対値でNmaxである。力行では電動機出力で動力の最大値が制限されて、最大速度の時に最大トルクは出力されない。第1象限では、力行トルクとなる目標トルクToの絶対値が、操作レバー2の操作量Xの絶対値が大きくなると大きくなり、操作量Xが一定であっても、電動機1の回転速度Nの絶対値が大きくなると小さくなっている。第4象限では、回生トルクとなる目標トルクToの絶対値が、操作量Xの絶対値が小さくなると大きくなり、操作量Xが一定であっても、回転速度Nの絶対値が小さくなると小さくなっている。 FIG. 4 represents a basic map for calculating the target torque To by the
図5は、回転速度制限値設定手段の値が前記最大速度以下の回転速度制限値に設定された場合に、設定された回転速度制限値Yと最大回転速度Nmaxの比:Y/Nmax(=α)に応じて目標トルクToの大きさが変わることを表している。図4の操作量Xが0、1、2、3、4、5、最大の場合の特性曲線が、図5に示すように、N軸方向にグラフを縮めたように変化する。回転速度比αに応じて、目標トルクToが小さくなる方向に特性曲線がシフトすることで、同じレバー操作量Xでも回転速度Nの上昇による目標トルクToの低下比率が大きくなって、オペレータのレバー操作によってスムーズなトルク制御ができる。そして、電動機制御装置の最大トルクが出力可能であり、電動機速度を制限することによる弊害が生じない。速度比αに応じた図5のようなマップをメモリ3aにいくつか持ってもよいし、回転速度比αを含む目標トルクの計算式を作ってメモリ3aに記憶しておいてもよい。回転速度制限値Yに応じて演算に使用するマップあるいは計算式を選択する。図4では、力行で電動機出力の最大値が制限されていたが、図5ではその電動機出力に至らないので、電動機出力の最大値は制限されていない。 FIG. 5 shows the ratio between the set rotational speed limit value Y and the maximum rotational speed Nmax when the value of the rotational speed limit value setting means is set to a rotational speed limit value equal to or less than the maximum speed: Y / Nmax (= It represents that the magnitude of the target torque To changes according to α). The characteristic curve when the manipulated variable X in FIG. 4 is 0, 1, 2, 3, 4, 5, and maximum changes as the graph is contracted in the N-axis direction as shown in FIG. By shifting the characteristic curve in a direction in which the target torque To decreases in accordance with the rotational speed ratio α, the reduction ratio of the target torque To due to the increase in the rotational speed N increases even with the same lever operation amount X, and the lever of the operator Smooth torque control is possible by operation. Further, the maximum torque of the motor control device can be output, and there is no adverse effect caused by limiting the motor speed. 5 may be stored in the memory 3a according to the speed ratio α, or a target torque calculation formula including the rotational speed ratio α may be created and stored in the memory 3a. A map or calculation formula to be used for calculation is selected according to the rotational speed limit value Y. In FIG. 4, the maximum value of the motor output is limited by power running. However, since the motor output is not reached in FIG. 5, the maximum value of the motor output is not limited.
図6は、図3で右旋回となる第1象限と第4象限について、目標トルクToを実線で示す駆動トルクTaと、点線で示す被駆動トルクTbとに分解して示したものである。駆動トルクTaは油圧モータのメータイン圧力によるトルクに相当し、被駆動トルクTbは油圧モータのメータアウト圧力によるトルクに相当する。第1象限における駆動トルクTaの絶対値は、操作量Xの絶対値が大きくなると大きくなり、操作量Xが一定であっても、回転速度Nの絶対値が大きくなると小さくなるように演算され、最大値Tamaxが設定されている。また、第4象限における被駆動トルクTbの絶対値は、操作量Xの絶対値が小さくなると大きくなり、操作量Xが一定であっても、回転速度Nの絶対値が小さくなると小さくなるように演算され、操作量Xが零を含む中立範囲と、操作レバー2の操作方向と電動機1の回転方向が逆方向となる第3象限では、最大値Tbmaxに設定されるようになっている。図3の第1象限と第4象限に示した目標トルクToは、このように演算された駆動トルクTaと被駆動トルクTbの和として求めたものである。図示は省略するが、左旋回となる図3の第2象限と第3象限における目標トルクToも、同様に演算された駆動トルクTaと被駆動トルクTbの和として求めたものである。 FIG. 6 shows the first and fourth quadrants that turn right in FIG. 3 by disassembling the target torque To into a driving torque Ta indicated by a solid line and a driven torque Tb indicated by a dotted line. . The driving torque Ta corresponds to the torque due to the meter-in pressure of the hydraulic motor, and the driven torque Tb corresponds to the torque due to the meter-out pressure of the hydraulic motor. The absolute value of the driving torque Ta in the first quadrant is calculated so as to increase as the absolute value of the operation amount X increases, and to decrease as the absolute value of the rotational speed N increases even if the operation amount X is constant, A maximum value Tamax is set. In addition, the absolute value of the driven torque Tb in the fourth quadrant increases as the absolute value of the operation amount X decreases, and decreases as the absolute value of the rotational speed N decreases even if the operation amount X is constant. The maximum value Tbmax is set in the neutral range where the calculated operation amount X includes zero and the third quadrant where the operation direction of the
上述した実施形態では、発電機と蓄電装置を電力源として、油圧ショベルの上部旋回体を左右に旋回動作させる電動機を制御するものとしたが、本発明に係る電動機の制御装置は、例えば、ホイールローダや自動車のような走行車両を走行動作させるもののように、慣性体の運動方向によって電動機の回転速度と出力トルクが異なった特性を有する電動機を制御するものにも適用できる。また、電動機の電力源も発電機や蓄電装置に限定されることはなく、例えば、工場等に定置される装置の慣性体を動作させる電動機を制御する場合は、電力会社等から供給される電力を電力源とすることができる。 In the above-described embodiment, the generator and the power storage device are used as power sources to control the electric motor that swings the upper swing body of the excavator left and right. However, the motor control device according to the present invention includes, for example, a wheel The present invention can also be applied to an apparatus that controls an electric motor having characteristics in which the rotational speed and output torque of the electric motor are different depending on the direction of movement of the inertial body, such as an apparatus that travels a traveling vehicle such as a loader or an automobile. Also, the power source of the motor is not limited to the generator or the power storage device. For example, when controlling the motor that operates the inertial body of the device placed in a factory or the like, the power supplied from the power company or the like Can be used as a power source.
さらに、上述した実施形態では、駆動トルクと被駆動トルクの演算アルゴリズムを、マップで表現した特性曲線としてコントローラに記憶するようにしたが、駆動トルクと被駆動トルクの演算アルゴリズムは、操作端の操作量と電動機の回転速度をパラメータとする数式として記憶するようにしてもよい。 Furthermore, in the above-described embodiment, the calculation algorithm of the driving torque and the driven torque is stored in the controller as a characteristic curve expressed by a map. However, the calculation algorithm of the driving torque and the driven torque is determined by the operation of the operation end. You may make it memorize | store as numerical formula which uses quantity and the rotational speed of an electric motor as a parameter.
さらに、上述した実施形態では、電動機の回転速度制限値設定手段を独立の手段として説明したが、電動機制御装置を搭載する機械の運転パターンや動作パターンの切換などと連動して機能するようにしてもよい。 Furthermore, in the above-described embodiment, the rotation speed limit value setting means of the electric motor has been described as an independent means. However, it is configured to function in conjunction with switching of an operation pattern or an operation pattern of a machine on which the electric motor control device is mounted. Also good.
1 電動機
1a 回転検出手段
2 操作レバー
2a 操作検出手段
3 コントローラ
3a メモリ
3b 演算アルゴリズム
4 インバータ
4a 信号変換回路
4b 電流制御回路
5 回転速度制限値設定手段
20 走行体
21 走行油圧モータ
22 減速機
30 旋回体
31 エンジン
32 油圧ポンプ
33 発電機
34 蓄電装置
35 減速機
36 コンバータ
40 掘削アタッチメント
41 ブーム
41a ブームシリンダ
42 アーム
42a アームシリンダ
43 バケット
43a バケットシリンダDESCRIPTION OF
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