JP4584687B2 - 建設機械の旋回制御装置 - Google Patents

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Description


この発明は、下部走行体の上に載置された上部旋回体を電動機によって旋回駆動する建設機械の旋回制御装置に関するものである。
従来、建設機械においては、エンジンによって油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプの吐出油によってアクチュエータを駆動する油圧駆動方式を採用していた。しかし、油圧駆動方式は油圧エネルギーの浪費が大きいことから、近年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るに至っている。
電動機駆動方式では、インバータ制御方式を利用し、電動機のトルクを印加電圧（又は電流）で制御し、回転数（又は回転速度）を周波数で制御する方式が採用されている。また、電動機の出力は回転数とトルクの積に比例する。従って、許容トルクの範囲（印加電圧）と回転数(周波数)の範囲を指定して、この範囲全体で使用可能にすると、最大トルク、最大回転数のところで電動機の出力は最大となる。しかし、電動機の最大出力を大きくすると電動機並びにインバータが大型化し、コスト高になる。また、建設機械の旋回装置等では最大回転数で最大トルクを必要とする作業が頻繁に行われるわけではなく、この部分の大出力を抑えることで電動機並びにインバータの大型化を防止できる。例えば、特許文献１に記載の発明は以下のようにして大出力を抑え、大型化を防止している。
公開特許公報、特開２００１−１１８９７（建設機械の旋回駆動装置）
特許文献１に記載の旋回駆動装置（以下、従来装置１という。）は電動機として永久磁石を利用したＤＣブラシレスモータ（無整流子の直流電動機）を使用し、回転子の位置を検出し、電機子直流フィードバック制御を行うと共に、電機子に流す電流のタイミングを変化させ、界磁の最も強い回転位置と電流のピーク位置を少しずらせて弱め界磁制御を行い、回転数の増加に伴ってトルクが減少する領域でのトルクの増加をさせる制御を行っている。
従来装置１によれば、電動機の回転数ＮとトルクＴの関係を図５に示すようになる。即ち、旋回加速時には所定回転数未満の領域では電動機の最大出力トルクが一定となり、所定回転数以上では回転数の増加に応じて最大出力トルクが減少するように制御している。これ（出力馬力を一定にすること）によって、電動機の最大出力部分を制限し、電動機の大型化並びにインバータの大型化を防いでいる。
以上に説明したように、従来装置１は直流電動機に弱め界磁制御を利用して、電動機の大出力化を抑制している。しかし、弱め界磁制御のため制御が複雑になるという問題がある。本願発明は弱め界磁制御に必要な複雑な制御も不要で簡単な制御方式によって大電力化を抑制し、小型の電動機で有効な旋回を実現する制御装置を提供することを課題としている。
本発明は上記の課題を解決するための手段として以下の構成を採用している。即ち、請求項１に記載の発明は、
下部走行体上に上部旋回体を旋回自在に載置した建設機械において、
該上部旋回体を旋回駆動する電動機と、該建設機械に搭載されたバッテリと、
該バッテリの直流電源を該電動機の駆動電源に変換し該電動機を駆動するインバータと、該インバータを制御する制御手段と、
前記電動機の出力軸の回転数を計測する回転速度検出器と、
前記上部旋回体の旋回速度を操作し、操作量に応じた電気信号を出力する操作手段と、トルクを設定する設定手段を具備し、
前記制御手段の入力側に前記操作手段の出力、及び前記回転検出器の出力を接続し、該制御手段の出力側を前記インバータの入力端子に接続し、
前記制御手段は、
制御領域を、前記上部旋回体を右旋回させ、旋回速度を増加させる第１領域と、左旋回させ、旋回速度を減少させる第２領域と、左旋回させ、旋回速度を増加させる第３領域と、右旋回させ、旋回速度を減少させる第４領域に区分し、
旋回速度を増加させる前記第１領域と第３領域においては、最大トルク設定時の出力が最大出力となる所定回転数を決定し、前記所定回転から最大回転数までは出力が直線的に減少するように前記電動機への印加最大電圧を規制し、かつ、前記最大回転数における前記直線上のトルク値を求め、
設定トルクの絶対値が最大回転数における前記トルク値よりも小さい場合は回転数に関係なく設定トルクを一定とし、
設定トルクの絶対値が前記トルク値よりも大きい場合は、回転数の絶対値が前記直線の回転数になるまでは回転数に関係なく設定トルクを一定とし、それ以後は回転数の絶対値の増加に従って、前記直線に沿って設定トルクの絶対値を減少するように制御し、
旋回速度を減少させる前記第２領域と第４領域においては、回生制動を利用すると共に、
前記制御手段は設定トルクの絶対値が最大回転数における前記トルク値よりも小さい場合は回転数に関係なく設定トルクを一定とし、
設定トルクの絶対値が前記トルク値よりも大きい場合は、回転数の絶対値が前記直線の回転数になるまでは回転数に関係なく設定トルクを一定とし、それ以後は回転数の絶対値の減少に従って、前記直線に沿って設定トルクの絶対値を減少するように制御することを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、
下部走行体上に上部旋回体を旋回自在に載置した建設機械において、
該上部旋回体を旋回駆動する電動機と、該建設機械に搭載されたバッテリと、
該バッテリの直流電源を該電動機の駆動電源に変換し該電動機を駆動するインバータと、該インバータを制御する制御手段と、
前記電動機の出力軸の回転数を計測する回転速度検出器と、
前記上部旋回体の旋回速度を操作し、操作量に応じた電気信号を出力する操作手段と、トルクを設定する設定手段を具備し、
前記制御手段の入力側に前記操作手段の出力、及び前記回転検出器の出力を接続し、該制御手段の出力側を前記インバータの入力端子に接続し、
前記制御手段は、
制御領域を、前記上部旋回体を右旋回させ、旋回速度を増加させる第１領域と、左旋回させ、旋回速度を減少させる第２領域と、左旋回させ、旋回速度を増加させる第３領域と、右旋回させ、旋回速度を減少させる第４領域に区分し、
旋回速度を増加させる前記第１領域と第３領域においては、最大トルク設定時の出力が最大出力となる所定回転数を決定し、前記所定回転数から最大回転数までは出力が直線的に減少するように前記電動機への印加最大電圧を規制し、かつ、前記最大回転数における前記直線上のトルク値を求め、
設定トルクの絶対値が最大回転数における前記トルク値よりも小さい場合は回転数に関係なく設定トルクを一定とし、
設定トルクの絶対値が前記トルク値よりも大きい場合は、回転数の絶対値が前記直線の回転数になるまでは回転数に関係なく設定トルクを一定とし、それ以後は回転数の絶対値の増加に従って、前記直線に沿って設定トルクの絶対値を減少するように制御し、
旋回速度を減少させる前記第２領域と第４領域においては、回生制動を利用すると共に、
前記制御手段は、設定トルクの絶対値が前記最大トルクを越えないように設定し、かつ、回転数に関係なく設定トルクを一定としたことを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記電動機は直流電動機、同期電動機、或いは、誘導電動機で構成したことを特徴としている。
以上説明したように、本発明によれば、簡易な構成で電動機、インバータを小型化できるという効果が得られる。

以下本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる電動機の出力特性（回転数−トルクの関係）を示し、図２は、本発明を実施した建設機械の旋回制御装置の全体構成図を示す。図３は回転数とトルクとの関係を示す。図４は、本発明の別の実施形態にかかる電動機の出力特性（回転数−トルクの関係）を示す。図５は、従来装置１の電動機の出力特性（回転数−トルクの関係）を示す。
まず、旋回制御装置の全体構成図を説明する。図２において、建設機械に搭載する電動機１１は、例えば、回転子に永久磁石を利用した三相同期電動機で構成する。同期電動機１１の回転速度（無負荷状態の回転速度）は印加する三相交流電源の周波数によって決定され、実回転速度（負荷状態の回転速度）は負荷トルクと入力電力によって定まり、負荷が許容範囲内にあるときは入力電圧又は入力電流の一方のみで制御することもできる。即ち、入力電力の電圧（最大値または実効値）を一定にすれば、出力トルクは入力電流によって制御できる。一方、三相交流電源の周波数はインバータ１２の周波数と同一である。なお、電動機１１は三相同期電動機に限られず、単相同期電動機または誘導電動機であってもよい。
電動機１１の出力軸１１ａは減速機２１に接続され、減速機２１の出力軸２１ａが上部旋回体２２に接続されている。また、減速機２１の出力軸２１ａにはメカニカルブレーキ２３が設けられていると共に、電動機１１の回転速度を検出する速度検出器２４が設けられている。速度検出器２４は、例えばロータリエンコーダを利用したセンサーで構成してもよい。なお、上部旋回体２２の旋回速度は速度検出器２４の検出データと減速機２１の減速比から算出できる。
インバータ１２は半導体素子回路から構成される可変周波数発生装置であって、制御手段１３の指令信号に基づいてバッテリ電源１４の直流電源を可変周波数と一定電圧の可変電流値を持つ三相交流に変換する。インバータ１２の出力は電動機１１の制御端子に印加され、可変周波数によって電動機１１の回転速度を制御し、可変電流値によってトルクを制御する。バッテリ電源１４は建設機械に搭載された電源であり、エンジン１６に増速機１７を介して接続された発電機１８によって発電された交流をコンバータ１９により整流した直流電源である。
制御手段１３の入力側に操作手段２０の出力、速度検出器２４の出力が接続され、出力側にはインバータ１２の制御端子並びにメカニカルブレーキ２３の制御端子が接続されている。操作手段２０は操作レバー２０ａと本体２０ｂから構成され、操作レバー２０ａは傾倒自在に設けられている。例えば、上部旋回体２２の左旋回、中立、及び右旋回に応じて操作レバー２０ａを左方向、中立、右方向に傾倒し、傾倒角度に応じてポテンショメータ（図示省略）が回転し、電気信号に変換された操作量が出力されるように構成する。
操作手段２０からの操作量に応じた回転数Ｎの信号を出力する。従って、制御手段１３はトルクＴと回転数Ｎに応じた制御信号を出力し、インバータ１２の制御端子に印加する。同様に、インバータ１２もこれに対応した周波数と電流値を電動機１１の制御端子に出力する。
しかし、本実施形態における電動機１１は図１に示す特性を持つように構成されている。即ち、図１の右上領域（第１象限）において、実効トルクＴ（以下、単に「トルクＴ」という。）がＴ０以上で、かつ、回転数ＮがＮ１以上の場合において、最大トルクは実線ＣＤに示すように制限されている。即ち、トルク（Ｔ１）がＴ０より大きい場合は回転数が大きくなると実線ＣＤに沿って変化し、トルク（Ｔ２）がＴ０より小さい場合は回転数が大きくなっても一定である。なお、図１の右上領域は右旋回、回転数増加（旋回速度の増加）の場合を示しており、第３象限は左旋回、回転数増加（旋回速度の増加）の場合を示しており、第１象限の場合と同様に構成されている。第２象限は左旋回、回転数減少（旋回速度の減少）の場合を示し、第４象限は右旋回、回転数減少（旋回速度の減少）の場合を示している。
図３（Ａ）、（Ｂ）は、図１に示す特性の構成方法を説明した図である。図３（Ａ）は電動機１１の出力を電圧で制御している場合の回転数と絶対トルクとの関係を示す。図３（Ａ）において、回転数Ｎ１の場合に印加電圧をＶ１からＶmax に増加させると絶対トルクはＴa０（無負荷状態の絶対トルク）からＴａmax（最大負荷状態の絶対トルク）まで増加する。回転数がＮ（Ｎ＝０〜Ｎ１）の場合も同様である。回転数がＮ１を超えると最大負荷トルクＴmax
を出力可能な電圧はＶmaxを超えるため、最大付負荷ルクはＴmaxより減少し、回転数Ｎ２ではトルクが出ず、無負荷で回転するだけとなる。
インバータ印加電圧を一定に(最大電圧Ｖmaxに固定)して回転数Ｎを変化させると、実効トルクの最大値Ｔmaxは図３（Ｂ）に示すように変化し、回転数ＮがＮ１を超えると実線ＣＤに沿って減少する。また、このときの出力Ｐは図の実線のように、回転数Ｎ１で最大出力Ｐmaxとなる。なお、図３（Ｂ）は電動機１１の最大回転数がＮmax（Ｎ１＜Ｎmax＜Ｎ２）に制限されている場合を示している。以上に述べたことから回転数の増加に対しても出力の最大値を制限することができる。即ち、印加電圧(Ｖmax)と最大回転数（Ｎmax）を適切に選択すれば、図１に示す電動機特性を構成することができる。また、Ｖ１，Ｖmax は交流電圧では電圧の実効値又はピーク値とする。
本実施形態は以上のように構成されているので、頻繁に使用されることがない最大トルク及び最大回転数の近傍で電動機１１の出力（最大出力）が制限されており、小出力用の設計で済み、また、インバータも小出力にすることができる。従って、効率的かつ経済的な旋回制御装置を提供することができる。また、構成も簡易であるという特徴を有する。
なお、図４は旋回減速時に回生制動を利用して出力を増加させた場合の実施例である。回生制動は従来技術として知られているように、電動機として運転するのと全く同じ接続のまま、発電機として運転する状態であって、電動機の電流は電動機運転（旋回加速運転）のときと逆に流れ、電力が電源に帰還される。回生制動回路については省略する。回生制動時はインバータ印加電圧を回生電力によって上昇させることができ、最大トルクをＮmaxまで一定に維持できる。
なお、本発明の技術的範囲は上記実施形態で説明した技術事項に限定されるものではなく、例えば、電動機は三相同期電動機に限られず、単相同期電動機または誘導電動機であってもよい。また、トルクモード検出手段、トルク設定手段の代わりに制御手段のプログラム中に同様な機能をするプログラムを付加してもよい。
本実施形態の電動機の特性を示す。 本実施形態の旋回制御装置の構成例を示す。 （Ａ）は本実施形態の回転数―トルク特性を示す。（Ｂ）は最大トルク、出力―回転数の関係を示す。 回生制動を利用した場合の電動機特性を示す。 従来装置の回転数―トルク特性を示す。
符号の説明
１１ 電動機
１２ インバータ
１３ 制御手段
１４ バッテリ
２０ 操作手段
２２ 上部旋回体
２３ メカニカルブレーキ
２４ 速度検出器
３５ トルク設定手段
Ｔmax 実効トルクの最大値
Ｎmax 最大回転数

Claims (3)

  1. 下部走行体上に上部旋回体を旋回自在に載置した建設機械において、
    該上部旋回体を旋回駆動する電動機と、該建設機械に搭載されたバッテリと、
    該バッテリの直流電源を該電動機の駆動電源に変換し該電動機を駆動するインバータと、該インバータを制御する制御手段と、
    前記電動機の出力軸の回転数を計測する回転速度検出器と、
    前記上部旋回体の旋回速度を操作し、操作量に応じた電気信号を出力する操作手段と、トルクを設定する設定手段を具備し、
    前記制御手段の入力側に前記操作手段の出力、及び前記回転検出器の出力を接続し、該制御手段の出力側を前記インバータの入力端子に接続し、
    前記制御手段は、
    制御領域を、前記上部旋回体を右旋回させ、旋回速度を増加させる第１領域と、左旋回させ、旋回速度を減少させる第２領域と、左旋回させ、旋回速度を増加させる第３領域と、右旋回させ、旋回速度を減少させる第４領域に区分し、
    旋回速度を増加させる前記第１領域と第３領域においては、最大トルク設定時の出力が最大出力となる所定回転数を決定し、前記所定回転から最大回転数までは出力が直線的に減少するように前記電動機への印加最大電圧を規制し、かつ、前記最大回転数における前記直線上のトルク値を求め、
    設定トルクの絶対値が最大回転数における前記トルク値よりも小さい場合は回転数に関係なく設定トルクを一定とし、
    設定トルクの絶対値が前記トルク値よりも大きい場合は、回転数の絶対値が前記直線の回転数になるまでは回転数に関係なく設定トルクを一定とし、それ以後は回転数の絶対値の増加に従って、前記直線に沿って設定トルクの絶対値を減少するように制御し、
    旋回速度を減少させる前記第２領域と第４領域においては、回生制動を利用すると共に、
    前記制御手段は設定トルクの絶対値が最大回転数における前記トルク値よりも小さい場合は回転数に関係なく設定トルクを一定とし、
    設定トルクの絶対値が前記トルク値よりも大きい場合は、回転数の絶対値が前記直線の回転数になるまでは回転数に関係なく設定トルクを一定とし、それ以後は回転数の絶対値の減少に従って、前記直線に沿って設定トルクの絶対値を減少するように制御することを特徴とする建設機械の旋回制御装置。
  2. 下部走行体上に上部旋回体を旋回自在に載置した建設機械において、
    該上部旋回体を旋回駆動する電動機と、該建設機械に搭載されたバッテリと、
    該バッテリの直流電源を該電動機の駆動電源に変換し該電動機を駆動するインバータと、該インバータを制御する制御手段と、
    前記電動機の出力軸の回転数を計測する回転速度検出器と、
    前記上部旋回体の旋回速度を操作し、操作量に応じた電気信号を出力する操作手段と、トルクを設定する設定手段を具備し、
    前記制御手段の入力側に前記操作手段の出力、及び前記回転検出器の出力を接続し、該制御手段の出力側を前記インバータの入力端子に接続し、
    前記制御手段は、
    制御領域を、前記上部旋回体を右旋回させ、旋回速度を増加させる第１領域と、左旋回させ、旋回速度を減少させる第２領域と、左旋回させ、旋回速度を増加させる第３領域と、右旋回させ、旋回速度を減少させる第４領域に区分し、
    旋回速度を増加させる前記第１領域と第３領域においては、最大トルク設定時の出力が最大出力となる所定回転数を決定し、前記所定回転数から最大回転数までは出力が直線的に減少するように前記電動機への印加最大電圧を規制し、かつ、前記最大回転数における前記直線上のトルク値を求め、
    設定トルクの絶対値が最大回転数における前記トルク値よりも小さい場合は回転数に関係なく設定トルクを一定とし、
    設定トルクの絶対値が前記トルク値よりも大きい場合は、回転数の絶対値が前記直線の回転数になるまでは回転数に関係なく設定トルクを一定とし、それ以後は回転数の絶対値の増加に従って、前記直線に沿って設定トルクの絶対値を減少するように制御し、
    旋回速度を減少させる前記第２領域と第４領域においては、回生制動を利用すると共に、
    前記制御手段は、設定トルクの絶対値が前記最大トルクを越えないように設定し、かつ、回転数に関係なく設定トルクを一定としたことを特徴とする建設機械の旋回制御装置。
  3. 前記電動機は直流電動機、同期電動機、或いは、誘導電動機で構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１に記載の建設機械の旋回制御装置。
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