JP5059565B2 - 旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械の旋回機構の駆動制御を行う旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械に関する。

従来より、上部旋回体を旋回させるための旋回機構の動力源として電動機を備える建設機械が提案されている。このような建設機械では、電動機の力行運転で旋回機構を加速（駆動）するとともに、旋回機構を減速（制動）する際に回生運転を行い、発電される電力をバッテリに充電している（例えば、特許文献１参照）。また、この特許文献１に記載された建設機械は、旋回機構以外の駆動機構を油圧で駆動するために油圧ポンプを備えるが、この油圧ポンプを駆動するためのエンジンに増速機を介して発電機を接続し、発電で得る電力をバッテリの充電と旋回機構の電動機の駆動に用いている。
特開平２００４−０３６３０３号公報

ところで、上部旋回体の旋回機構を駆動するための電動機を停止状態から駆動開始する場合、又は、旋回方向を反転する場合に、駆動トルクをステップ状に急激に立ち上げると、旋回機構のギアのバックラッシュによる衝撃が生じる可能性がある。

このようなバックラッシュによる歯打ちが生じると、上部旋回体に大きな衝撃が伝達し、旋回駆動を滑らかに立ち上げることができず、乗り心地が悪化するという課題があった。また、バックラッシュの歯打ちが続くと、旋回機構のギアが損傷するという課題があった。

そこで、本発明は、旋回駆動開始時及び駆動方向反転時における乗り心地が良好で旋回機構の長寿命化を実現できる旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を提供することを目的とする。

本発明の一局面の旋回駆動制御装置は、電動機で旋回駆動される建設機械の旋回機構を駆動制御する旋回駆動制御装置であって、建設機械の操作手段を介して入力される操作量に基づき、前記電動機を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成部を含み、前記駆動指令生成部は、該駆動指令生成部の駆動指令が時間の経過に対して緩やかに立ち上がる又は立ち下がるように該駆動指令を遅延させるトルク制限特性演算部と、前記駆動指令によって発生するトルクが前記電動機の許容トルク以下になるようにトルク制限を行うトルク制限部とを含み、前記トルク制限特性演算部は、前記トルク制限部がトルク制限を行うためのトルク制限特性を時間の経過に対して遅延させることにより、前記駆動指令を遅延させる。

前記トルク制限特性演算部は、前記駆動指令によって表される駆動トルクの回転方向を判定するトルク方向判定部を含み、前記トルク制限特性演算部は、前記トルク方向判定部の判定結果に基づき、前記トルク制限部がトルク制限を行うための正転側及び逆転側のトルク制限特性を時間の経過に対して遅延させてもよい。

前記トルク制限特性演算部は、前記トルク方向判定部の判定結果に基づき、正転側と逆転側とで異なるトルク許容値を出力する切替スイッチを含んでもよい。また、前記駆動指令生成部は、レバー操作量の増大に応じて前記駆動指令の生成に用いられる電流指令値の許容値を増大させる制限特性によってトルク制限を行う第２のトルク制限部を含んでもよい。

前記トルク制限特性演算部は、Ｓ字フィルタ、移動平均フィルタ、一次遅れフィルタ、又は二次遅れフィルタを含んでもよい。

また、前記Ｓ字フィルタは、直列接続された複数段の移動平均フィルタによって実現されてもよい。

本発明の一局面の建設機械は、前記いずれかに記載の旋回駆動制御装置を含む。

本発明によれば、旋回駆動の開始時に緩やかにトルクを立ち上げることにより、乗り心地が良好で旋回機構の長寿命化を実現できる旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を適用した実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械を示す側面図である。

この建設機械の下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。また、上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びバケット６と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に加えて、キャビン１０及び動力源が搭載される。

「全体構成」
図２は、本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械の構成を表すブロック図である。この図２では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、ともに増力機としての減速機１３の入力軸に接続されている。また、この減速機１３の出力軸には、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。

コントロールバルブ１７は、本実施の形態の建設機械における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ１７には、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。

また、電動発電機１２には、インバータ１８を介してバッテリ１９が接続されており、また、バッテリ１９には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。

旋回用電動機２１の回転軸２１ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。

操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、本実施の形態の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

このような本実施の形態の建設機械は、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド型の建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。

「各部の構成」
エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。このエンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ１８によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。

減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸の各々には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が力行運転を行い、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が回生運転による発電を行う。電動発電機１２の力行運転と回生運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生するポンプである。この油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々を駆動するために供給される。

パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。

コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

インバータ１８は、電動発電機１２の力行運転に必要な電力をバッテリ１９から電動発電機１２に供給するとともに、電動発電機１２の回生運転によって発電された電力をバッテリ１９に充電するために電動発電機１２とバッテリ１９との間に設けられたインバータである。

バッテリ１９は、インバータ１８とインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２と旋回用電動機２１の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が回生運転を行っている際には、回生運転によって発生した回生電力を電気エネルギーとして蓄積するための電源である。

インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、インバータが旋回用電動機２１の力業を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から旋回用電動機２１に供給する。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力をバッテリ１９へ充電する。

旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が減速機２４にて増幅され、上部旋回体３が加減速制御され回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１として、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機２１にて発電される電力を増大させることができる。

なお、バッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（力行運転又は回生運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、コントローラ３０によって行われる。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１Ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構２の回転角度及び回転方向が導出される。

メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動機２１の回転軸２１ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動（オン）／解除（オフ）が切り替えられる。

旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度を減速して旋回機構２に機械的に伝達する減速機である。

旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、この状態において、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

操作装置２６は、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。

この操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。

レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

また、メカニカルブレーキ２３は、レバー２６Ａ、２６Ｂ、又はペダル２６Ｃのいずれかが操作されると、コントローラ３０によって解除されるように構成される。

なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダの駆動に必要な油圧をコントロールバルブに供給する。

圧力センサ２９では、レバー２６Ａの操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化が圧力センサ２９で検出される。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力される。

「コントローラ３０」
コントローラ３０は、本実施の形態の建設機械の駆動制御を行う制御装置であり、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、及び旋回駆動制御装置４０を含む。このコントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、及び旋回駆動制御装置４０は、コントローラ３０のＣＰＵが内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することによって実現される装置である。

速度指令変換部３１は、圧力センサ２９から入力される信号を速度指令に変換する演算処理部である。これにより、レバー２６Ａの操作量は、旋回用電動機２１を回転駆動させるための速度指令(rad/s)に変換される。この速度指令は、駆動制御装置３２及び旋回駆動制御装置４０に入力される。

駆動制御装置３２は、電動発電機１２の運転制御（力行運転又は回生運転の切り替え）、及び、バッテリ１９の充放電制御を行うための制御装置である。この駆動制御装置３２は、エンジン１１の負荷の状態とバッテリ１９の充電状態に応じて、電動発電機１２の力行運転と回生運転を切り替える。駆動制御装置３２は、電動発電機１２の力行運転と回生運転を切り替えることにより、インバータ１８を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

ここで、本実施の形態の建設機械の制御系では、旋回用電動機２１の回転軸２１ａが反時計回りに回転する回転方向を「正転」と称し、正転方向の駆動を表す制御量に正の符号を付す。一方、旋回用電動機２１の回転軸２１ａが時計回りに回転する回転方向を「逆転」と称し、逆転方向の駆動を表す制御量に負の符号を付す。正転は、上部旋回体３の右方向への旋回に対応し、逆転は、上部旋回体の左方向への旋回に対応する。

「旋回駆動制御装置４０」
図３は、本実施の形態の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。

旋回駆動制御装置４０は、インバータ２０を介して旋回用電動機２１の駆動制御を行うための制御装置であり、旋回用電動機２１を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成部５０、及び主制御部６０を含む。

駆動指令生成部５０には、レバー２６Ａの操作量に応じて速度指令変換部３１から出力される速度指令が入力され、この駆動指令生成部５０は速度指令に基づき駆動指令を生成する。駆動指令生成部５０から出力される駆動指令はインバータ２０に入力され、このインバータ２０によって旋回用電動機２１がＰＷＭ制御信号により交流駆動される。

主制御部６０は、旋回駆動制御装置４０の制御処理に必要な周辺処理を行う制御部である。具体的な処理内容については、関連箇所においてその都度説明する。

なお、旋回駆動制御装置４０は、操作レバー２６Ａの操作量に応じて、旋回用電動機２１を駆動制御する際に、力行運転と回生運転の切り替え制御を行うと共に、インバータ２０を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

「駆動指令生成部５０」
駆動指令生成部５０は、減算器５１、ＰＩ(Proportional Integral)制御部５２、トルク制限部５３、トルク制限部５４、トルク制限特性演算部５５、減算器５６、ＰＩ制御部５７、電流変換部５８、及び旋回動作検出部５９を含む。この駆動指令生成部５０の減算器５１には、レバー２６Ａの操作量に応じた旋回駆動用の速度指令(rad/s)が入力される。

減算器５１は、レバー２６Ａの操作量に応じた速度指令の値（以下、速度指令値）から、旋回動作検出部５９によって検出される旋回用電動機２１の回転速度(rad/s)を減算して偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５２において、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５２は、減算器５１から入力される偏差に基づき、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるように（すなわち、この偏差を小さくするように）ＰＩ制御を行い、そのために必要なトルク電流指令を演算する。生成されたトルク電流指令は、トルク制限部５３に入力される。

トルク制限部５３は、レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令の値（以下、トルク電流指令値）を制限する処理を行う。この制限処理は、レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令値の許容値が緩やかに増大する制限特性に基づいて行われる。このようなトルク電流指令値の制限は、ＰＩ制御部５２によって演算されるトルク電流指令値が急激に増大すると制御性が悪化するため、これを抑制するために行われる。

この制限特性は、レバー２６Ａの操作量の増大に伴ってトルク電流指令値の許容値（の絶対値）を緩やかに増大させる特性を有し、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向を制限するための特性を有するものである。制限特性を表すデータは、主制御部６０の内部メモリに格納されており、トルク制限部５３によって読み出される。

トルク制限部５４は、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令によって生じるトルクが旋回用電動機２１の最大許容トルク値以下となるように、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令値を制限する。このトルク電流指令値の制限は、トルク制限部５３と同様に、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向の回転に対して行われる。

ここで、トルク制限部５４においてトルク電流指令値を制限するための許容値の上限値（右旋回用の最大値）及び下限値（左旋回用の最小値）は、このトルク制限部５４によってトルク電流指令値の制限が行われても、傾斜地で、ブーム４、アーム５、及びバケット６が伸張されて上部旋回体３の慣性モーメントが大きい状態においても、ブーム４、アーム５、及びバケット６を斜面の上方に旋回させるための駆動トルクを発生できるような値に設定されている。

なお、トルク制限部５４においてトルク電流指令値を制限するための特性（トルク電流指令値の許容値を定めるトルク制限特性）は、次に説明するトルク制限特性演算部５５から入力されるパラメータによって与えられる。

トルク制限特性演算部５５は、トルク制限部５４でトルク電流指令に制限をかけるためのトルク制限特性を決定するためのパラメータを演算する。このトルク制限特性演算部５５は、Ｓ字フィルタを含む。このＳ字フィルタとは、例えば、直列接続された２段の移動平均フィルタによって実現されるフィルタであり、各移動平均フィルタが複数区間に分割されたサンプリング周期毎にトルク電流許容値をサンプリングし、区間毎に前回のトルク許容値との平均をとり続けるように構成される。このため、トルク制限特性演算部５５で演算されるパラメータには、サンプリング周期とサンプル数が含まれる。なお、トルク制限特性演算部５５の詳細構成、及び、パラメータの演算手法については後述する。

減算器５６は、トルク制限部５４から入力されるトルク電流指令値から、電流変換部５８の出力値を減算して得る偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５７及び電流変換部５８を含むフィードバックループにおいて、電流変換部５８から出力される旋回用電動機２１の駆動トルクを、トルク制限部５４を介して入力されるトルク電流指令値（目標値）によって表されるトルクに近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５７は、減算器５６から入力される偏差に基づき、この偏差を小さくするようにＰＩ制御を行い、インバータ２０に送る最終的な駆動指令となる電圧指令を生成する。インバータ２０は、ＰＩ制御部５７から入力されるトルク電流指令に基づき、旋回用電動機２１をＰＷＭ駆動する。

電流変換部５８は、旋回用電動機２１のモータ電流を検出し、これをトルク電流指令に相当する値に変換し、減算器５６に入力する。

旋回動作検出部５９は、レゾルバ２２によって検出される旋回用電動機２１の回転位置の変化（すなわち上部旋回体３の旋回）を検出するとともに、回転位置の時間的な変化から旋回用電動機２１の回転速度を微分演算によって導出する。導出された回転速度を表すデータは、減算器５１及び主制御部６０に入力される。

このような構成の駆動指令生成部５０において、速度指令変換部３１から入力される速度指令に基づき、旋回用電動機２１を駆動するためのトルク電流指令が生成され、上部旋回体３が所望の速度で旋回される。

本実施の形態の旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械では、以下で詳細に説明するトルク制限特性演算部５５で演算されるパラメータにより、トルク制限部５４で用いられるトルク制限特性の立ち上がり／立ち下がりが時間の経過に対して緩やかにされるため、旋回用電動機２１の駆動開始時又は駆動方向反転時に、駆動トルクを緩やかに立ち上げる／立ち下げることができる。

なお、以下では、特性の「立ち上がり」又は特性が「立ち上がる」ことの反対の動作を表す用語として、「立ち下がり」又は「立ち下がる」なる用語を用いる。「立ち上がり」又は「立ち上がる」と、「立ち下がり」又は「立ち下がる」とは、制御量の変化における符号が異なるだけであり、ともに特性がある値から変化することを表す。

「トルク制限特性演算部５５」
図４は、本実施の形態の旋回駆動制御装置４０のトルク制限特性演算部５５の構成を示す制御ブロック図である。トルク制限特性演算部５５は、トルク方向判定部１００、正転側切替スイッチ１０１、逆転側切替スイッチ１０２、正転側フィルタ演算部１０３、及び逆転側フィルタ演算部１０４を含む。

トルク方向判定部１００は、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令の符号に基づき、旋回用電動機２１の回転軸２１ａのトルク方向を判別する。上述のように、この制御系では、回転軸２１ａの正転側への回転を表す制御量に正の符号を付し、逆転側への回転を表す制御量に負の符号を付す。このため、トルク方向判定部１００では、トルク電流指令の符号に基づいて回転軸２１ａのトルク方向が判定される。判定されたトルク方向を表すデータは、正転側切替スイッチ１０１及び逆転側切替スイッチ１０２に入力される。なお、トルク電流指令値が零の場合は、正負の符号では判別できないため、トルク方向判定部１００は、トルク電流指令（２）が零であると判定する。

正転側切替スイッチ１０１は、トルク方向判定部１００から入力される符号に基づき、正転側のトルク許容値を決定するための切替スイッチである。この正転側切替スイッチ１０１は、２つの入力端子１０１ａ及び１０１ｂを有し、入力端子１０１ａには、トルク許容値として零が入力され、入力端子１０１ｂには、トルク許容値として旋回用電動機２１の正転側の最大許容トルク値が入力される。

正転側切替スイッチ１０１は、トルク方向判定部１００から入力される符号が負の場合とトルク電流指令が零の場合（すなわちトルク電流指令≦０の場合）は、入力端子１０１ａを選択し、トルク許容値として零を出力する。一方、トルク方向判定部１００から入力される符号が正の場合（すなわちトルク電流指令>０の場合）は、正転側切替スイッチ１０１は、入力端子１０１ｂを選択し、トルク許容値として許容正転側の最大トルク値を出力する。なお、入力端子１０１ａ及び１０１ｂに入力されるトルク許容値（零、及び、正転側の最大許容トルク値）は、主制御部６０から正転側切替スイッチ１０１に入力される。

逆転側切替スイッチ１０２は、トルク方向判定部１００から入力される符号に基づき、逆転側のトルク許容値を決定するための切替スイッチである。この逆転側切替スイッチ１０２は、２つの入力端子１０２ａ及び１０２ｂを有し、入力端子１０２ａには、トルク許容値として零が入力され、入力端子１０２ｂには、トルク許容値として旋回用電動機２１の逆転側の最大許容トルク値が入力される。

逆転側切替スイッチ１０２は、トルク方向判定部１００から入力される符号が正の場合とトルク電流指令が零の場合（すなわちトルク電流指令≧０の場合）は、入力端子１０２ａを選択し、トルク許容値として零を出力する。一方、トルク方向判定部１００から入力される符号が負の場合（すなわちトルク電流指令<０の場合）は、逆転側切替スイッチ１０２は、入力端子１０２ｂを選択し、トルク許容値として逆転側の最大許容トルク値を出力する。なお、入力端子１０２ａ及び１０２ｂに入力されるトルク許容値（零、及び、逆転側の最大許容トルク値）は、主制御部６０から逆転側切替スイッチ１０２に入力される。

正転側フィルタ演算部１０３は、直列接続された２段の移動平均フィルタによって実現されるＳ字フィルタによって実現される。この正転側フィルタ演算部１０３は、切替スイッチ１０１から入力されるフィルタ入力（１）にＳ字フィルタ処理を行い、フィルタ入力（１）が時間の経過に対してＳ字型に緩やかに立ち上がる又は立ち下がるように遅延させる。正転側フィルタ演算部１０３の出力は、正転側のトルク許容値としてトルク制限部５４に入力される。

同様に、逆転側フィルタ演算部１０４は、直列接続された２段の移動平均フィルタによって実現されるＳ字フィルタによって実現される。この逆転側フィルタ演算部１０４は、切替スイッチ１０２から入力されるフィルタ入力（２）にＳ字フィルタ処理を行い、フィルタ入力（２）が時間の経過に対してＳ字型に緩やかに立ち上がる又は立ち下がるように遅延させる。逆転側フィルタ演算部１０４の出力は、逆転側のトルク許容値としてトルク制限部５４に入力される。

「動作説明」
図５は、本実施の形態の旋回駆動制御装置４０のトルク制限部５３の入出力、トルク制限特性演算部５５の演算過程における各部の入出力、及び、トルク制限部５４の出力を示す波形図である。図５（ａ）〜（ｇ）に示す各特性の値は、旋回用電動機２１の最大許容トルク値を１００％とした場合の割合で表す。

図５（ａ）に示すように、正転側が"８０％"で逆転側が"−８０％"のトルク電流指令値（１）がトルク制限部５３に入力されると、トルク制限部５３は、図５（ｂ）に示す正転側トルク許容値（１）及び逆転側トルク許容値（１）を用いてトルク電流指令値（１）を制限する。ここでは、正転側トルク許容値（１）及び逆転側トルク許容値（１）が各々"＋６０％"と"−６０％"に設定されているため、図５（ｃ）に示すように、トルク制限部５３から出力されるトルク電流指令値（２）は、正転側が"＋６０％"、逆転側が"−６０％"に制限される。

図５（ｄ）は、トルク制限特性演算部５５における正転側と逆転側の最大トルクの値を示す。これらの値は、旋回用電動機２１の最大許容トルク値として与えられるため、時間経過によらず一定の値を有する。正転側の最大許容トルクの値は"１００％"であり、正転側切替スイッチ１０１の入力端子１０１ｂに入力される。また、逆転側の最大許容トルクの値は、"−１００％"であり、逆転側切替スイッチ１０２の入力端子１０２ｂに入力される。

トルク制限特性演算部５５のトルク方向部１００によって判定されたトルク方向が正転側切替スイッチ１０１及び逆転側切替スイッチ１０２に入力されると、正転側切替スイッチ１０１及び逆転側切替スイッチ１０２の出力は次のようになる。

図５（ｅ）に示すように、正転側切替スイッチ１０１から出力されるフィルタ入力（１）は、トルク電流指令値（２）が逆転を表す間又は零である間は、入力端子１０１ａが選択されることによって"０％"となり、トルク電流指令値（２）が正転を表す間は、入力端子１０１ｂが選択されることによって"１００％"となる。このフィルタ入力（１）は、正転側フィルタ演算部１０３に入力される。

同様に、逆転側切替スイッチ１０２から出力されるフィルタ入力（２）は、トルク電流指令値（２）が正転を表す間又は零である間は、入力端子１０２ａが選択されることによって"０％"となり、トルク電流指令値（２）が逆転を表す間は、入力端子１０２ｂが選択されることによって"−１００％"となる。このフィルタ入力（２）は、逆転側フィルタ演算部１０４に入力される。

図５（ｆ）に示すように、正転側フィルタ演算部１０３から出力される正転側のトルク許容値は、フィルタ入力（１）にＳ字フィルタ処理を行うことにより、フィルタ入力（１）が時間の経過に対してＳ字型に緩やかに立ち上がる又は立ち下がるように遅延された特性を表す。この正転側のトルク許容値を表すトルク制限特性は、トルク制限部５４に入力される。

同様に、逆転側フィルタ演算部１０４から出力される逆転側のトルク許容値は、フィルタ入力（２）にＳ字フィルタ処理を行うことにより、フィルタ入力（２）が時間の経過に対してＳ字型に緩やかに立ち上がる又は立ち下がるように遅延された特性を表す。この逆転側のトルク許容値を表すトルク制限特性は、トルク制限部５４に入力される。

トルク制限部５４は、正転側のトルク許容値と逆転側のトルク許容値を表すトルク制限特性を用いてトルク電流指令値（２）を制限する。これにより、図５（ｃ）に示すトルク電流指令値（２）は、図５（ｇ）に示すトルク電流指令値（３）のように、逆転側から正転側への切り替え時（駆動方向反転時）に"０％"からの立ち上がりがＳ字型を描くように時間経過に対して緩やかに変化するように制限される。また、正転側から逆転側への切り替え時（駆動方向反転時）に"０％"からの立ち下がりが逆Ｓ字型を描くように時間経過に対して緩やかに変化するように制限される。

なお、トルク電流指令値（３）の逆転側から正転側への切り替え時（駆動方向反転時）における"−６０％"から"０％"への復帰は図５（ｃ）に示すトルク電流指令値（２）と変わらないが、この間は、逆転側のトルク指令が零（０％）に復帰するだけであるため、歯打ちが生じることはなく、旋回機構２の機械的な摩擦力により、回転軸２１ａは緩やかに減速される。

同様に、トルク電流指令値（３）の正転側から逆転側への切り替え時（駆動方向反転時）における"６０％"から"０％"への復帰は図５（ｃ）に示すトルク電流指令値（２）と変わらないが、この間は、正転側のトルク指令が零（０％）に復帰するだけであるため、歯打ちが生じることはなく、旋回機構２の機械的な摩擦力により、回転軸２１ａは緩やかに減速される。

このように、トルク制限部５４から出力されるトルク電流指令値（３）は、逆転側から正転側への切り替え時に"０％"からＳ字型に緩やかに立ち上がるとともに、正転側から逆転側への切り替え時に"０％"から逆Ｓ字型に緩やかに立ち下がる特性となる。

なお、以上では、逆転側から正転側への切り替え時（駆動方向反転時）の立ち上がりと、正転側から逆転側への切り替え時（駆動方向反転時）の立ち下がりについて説明したが、トルク電流指令値（３）は、指令値が零から正転側に立ち上がる場合（駆動開始時）には"０％"からＳ字型に緩やかに立ち上がり、指令値が零から逆転側に立ち下がる場合（駆動開始時）には"０％"から逆Ｓ字型に緩やかに立ち下がる特性となる。

このトルク電流特性値（３）は、減算器５６に入力され、電流変換部５８との偏差が演算され、この偏差に基づき、トルク電流指令値（３）を目標値とするＰＩ制御が行われる。そして、旋回用電動機２１は、インバータ２０を介してトルク電流指令値（３）に基づいて最終的に演算されるトルク電流指令によって駆動される。

これにより、旋回用電動機２１は、旋回駆動開始時や正転と逆転の駆動方向反転時に駆動トルクが緩やかに立ち上がるため、旋回機構２のバックラッシュの歯打ちによる衝撃の発生を抑制でき、旋回駆動開始時や正転と逆転の駆動方向反転時における旋回動作の動き出しが滑らかな良好な乗り心地を実現できる旋回駆動制御装置及び建設機械を提供することができる。また、旋回機構２のバックラッシュの歯打ちを抑制できることにより、旋回機構２の長寿命化を図ることができる。

以上では、Ｓ字フィルタとして、直列接続された移動平均フィルタを２段有する形態について説明したが、Ｓ字フィルタに含まれる移動平均フィルタの段数は何段であってもよい。

また、Ｓ字フィルタの代わりに、移動平均フィルタ（１段のみ）、一次遅れフィルタ、又は二次遅れフィルタを用いることによってトルク電流指令を時間的に緩やかに遅延させてもよい。

以上では、旋回用電動機２１がインバータ２０によってＰＷＭ駆動される交流モータであり、その回転速度を検出するために、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５９を用いる形態について説明したが、旋回用電動機２１は直流モータであってもよい。この場合は、インバータ２０、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５９が不要となり、回転速度としては直流モータのタコジェネレータで検出される値を用いればよい。

また、以上では、トルク電流指令の演算にＰＩ制御を用いる形態について説明したが、これに代えて、ロバスト制御、適応制御、比例制御、積分制御等を用いてもよい。

また、以上では、ハイブリッド型の建設機械を用いて説明したが、旋回機構が電動化されている建設機械であれば、本実施の形態の旋回駆動装置の適用対象は、バイブリッド型に限定されるものではない。

以上、本発明の例示的な実施の形態の旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械を示す側面図である。 本実施の形態の旋回駆動制御装置を含む建設機械の構成を表すブロック図である。 本実施の形態の旋回駆動制御装置の構成を表す制御ブロック図である。 本実施の形態の旋回駆動制御装置のトルク制限パラメータ演算部の構成を示す制御ブロック図である。 本実施の形態の旋回駆動制御装置のトルク制限部の入出力、トルク制限パラメータ演算部の演算過程における各部の入出力、及び、トルク制限部の出力を示す波形図である。

符号の説明

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 走行機構
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ エンジン
１２ 電動発電機
１３ 減速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８ インバータ
１９ バッテリ
２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回減速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
３１ 速度指令変換部
３２ 駆動制御装置
４０ 旋回駆動制御装置
５０ 駆動指令生成部
５１ 減算器
５２ ＰＩ制御部
５３ トルク制限部
５４ トルク制限部
５５ トルク制限特性演算部
５６ 減算器
５７ ＰＩ制御部
５８ 電流変換部
５９ 旋回動作検出部
６０ 主制御部
１００ トルク方向判定部
１０１ 正転側切替スイッチ
１０２ 逆転側切替スイッチ
１０３ 正転側フィルタ演算部
１０４ 逆転側フィルタ演算部

Claims (7)

1. 電動機で旋回駆動される建設機械の旋回機構を駆動制御する旋回駆動制御装置であって、
   建設機械の操作手段を介して入力される操作量に基づき、前記電動機を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成部を含み、
   前記駆動指令生成部は、該駆動指令生成部の駆動指令が時間の経過に対して緩やかに立ち上がる又は立ち下がるように該駆動指令を遅延させるトルク制限特性演算部と、前記駆動指令によって発生するトルクが前記電動機の許容トルク以下になるようにトルク制限を行うトルク制限部とを含み、
   前記トルク制限特性演算部は、前記トルク制限部がトルク制限を行うためのトルク制限特性を時間の経過に対して遅延させることにより、前記駆動指令を遅延させる、
   旋回駆動制御装置。
2. 前記トルク制限特性演算部は、前記駆動指令によって表される駆動トルクの回転方向を判定するトルク方向判定部を含み、
   前記トルク制限特性演算部は、前記トルク方向判定部の判定結果に基づき、前記トルク制限部がトルク制限を行うための正転側及び逆転側のトルク制限特性を時間の経過に対して遅延させる、請求項１に記載の旋回駆動制御装置。
3. 前記トルク制限特性演算部は、前記トルク方向判定部の判定結果に基づき、正転側と逆転側とで異なるトルク許容値を出力する切替スイッチを含む、請求項２に記載の旋回駆動装置。
4. 前記駆動指令生成部は、レバー操作量の増大に応じて前記駆動指令の生成に用いられる電流指令値の許容値を増大させる制限特性によってトルク制限を行う第２のトルク制限部を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置。
5. 前記トルク制限特性演算部は、Ｓ字フィルタ、移動平均フィルタ、一次遅れフィルタ、又は二次遅れフィルタを含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置。
6. 前記Ｓ字フィルタは、直列接続された複数段の移動平均フィルタによって実現される、請求項５に記載の旋回駆動制御装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置を含む建設機械。

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