JP5207232B2 - 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、建設機械の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、この電動機の力行運転で旋回機構を加速するとともに、旋回機構を減速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する建設機械が提案されている。

このような建設機械は、上部旋回体にブーム、アーム、及びバケット等の作業要素を搭載し、旋回操作に応じて生成される駆動指令で電動機を駆動することにより、上部旋回体の旋回駆動を制御している（例えば、特許文献１）。
特開平２００５−２９９１０２号公報

ところで、建設機械の作業中には、積み上げた土砂や地面をならすためや、重量の嵩む岩石等を移動させるために、上部旋回体を旋回させながらバケット等の作業要素で土砂や岩石等を押し退けることがある。

ここで、上述のように押し退ける作業を行わない場合は、バケット等が土砂等に触れておらず電動機の負荷が小さいため、電動機に通常の駆動トルクを発生させることによって上部旋回体を旋回させることができるが、バケット等が土砂等を押し退けながら旋回を行う場合には電動機の負荷が大きくなるため、より大きな駆動トルクが必要となる。

しかしながら、従来の建設機械では、電動機の負荷の大小に関わらず駆動トルクを一定値以下に制限しているため、負荷が大きい場合に駆動トルクが不足し、旋回駆動の立ち上がりが悪くなる、又は、旋回駆動を行えなくなるという課題があった。

また、電動機及びインバータを大型化することによって駆動トルクを増大し、高負荷時のトルク不足を解消する手法が考えられるが、低負荷時における電動機及びインバータでの電力損失が大きくなるうえ、電動機及びインバータが大型化し、コストアップを招くという別な課題が生じる。

そこで、本発明は、電動機及びインバータを大型化することなく、高負荷時のトルク不足を解消して旋回性能を向上させた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の操作量に基づき、前記電動機の回転速度を制御するための速度指令を出力する速度指令出力手段と、前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記速度指令出力手段から出力される速度指令と、前記回転速度検出手段によって検出される回転速度とに基づき、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手段と、前記旋回機構に対し負荷が加っている方向へ駆動指令が出力されている際に、前記速度指令で表される回転速度と、前記回転速度検出手段によって検出される回転速度との偏差の絶対値に基づき旋回駆動が高負荷か低負荷かを判定するとともに、該絶対値が所定値以上である場合は旋回駆動が高負荷であると判定して前記駆動指令生成手段によって生成される駆動指令の値を絶対値で増大させる駆動指令増大手段と、該駆動指令増大手段により増大された駆動指令の値が、予め時間に基づいて定められている条件に達すると、駆動指令の値を低負荷時の値へ戻す判定部とを含む。

また、前記駆動指令増大手段は、前記偏差が所定時間以上にわたって前記所定値以上である場合に、前記駆動指令生成手段によって生成される駆動指令の値を増大させてもよい。

また、前記駆動指令増大手段は、所定の短時間の間、前記駆動指令生成手段によって生成される駆動指令の値を絶対値で増大させてもよい。

また、前記駆動指令生成手段は、前記駆動指令によって前記電動機で発生する駆動トルクが許容値以下になるように前記駆動指令の値を絶対値で制限する制限手段を含み、前記駆動指令増大手段は、前記制限手段の許容値を増大させることにより、前記駆動指令生成手段によって生成される駆動指令の値を絶対値で増大させてもよい。

前記駆動指令増大手段は、前記制限手段の許容値を前記電動機の連続定格トルクを表す駆動指令値よりも大きく、かつ、短時間定格トルクを表す駆動指令値以下の値にまで増大させてもよい。

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、電動機及びインバータを大型化することなく、また、損失を増大させることなく、高負荷時のトルク不足を解消して旋回性能を向上させた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２０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／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３０によって行われる。

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、これにより、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。

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、レバー２６Ａの操作方向（右旋回又は左旋回）と操作量を表す信号であり、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り、
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。なお、この速度指令変換部３１で用いる変換特性については、図３を用いて説明する。

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。

「操作量／速度指令の変換特性」
図３は、本実施の形態の建設機械の速度指令変換部３１において操作レバー２６Ａの操作量を速度指令（上部旋回体３を旋回させるために旋回用電動機２１を回転させるための速度指令）に変換する変換特性を示す図である。この変換特性は、操作レバー２６Ａの操作量に応じて、不感帯領域、零速度指令領域（左旋回用及び右旋回用）、左方向旋回駆動領域、及び右方向旋回駆動領域の５つの領域に区分される。

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。

「不感帯領域」
この変換特性に示すように、不感帯領域は、レバー２６Ａの中立点付近に設けられている。この不感帯領域では、速度指令変換部３１から速度指令は出力されず、旋回駆動制御装置４０による旋回用電動機２１の駆動制御は行われない。また、不感帯領域では、メカニカルブレーキ２３によって旋回用電動機２１が機械的に停止された状態となる。

従って、レバー２６Ａの操作量が不感帯領域内にある間は、メカニカルブレーキ２３によって旋回用電動機２１が機械的に停止され、これにより、上部旋回体３が機械的に停止された状態となる。

「零速度指令領域」
零速度指令領域は、レバー２６Ａの操作方向における不感帯領域の両外側に設けられている。この零速度指令領域は、不感帯領域における上部旋回体３の停止状態と、左右方向の旋回駆動領域における旋回状態とを切り替える際に操作性を良くするために設けられる緩衝領域である。

操作レバー２６Ａの操作量がこの零速度指令領域の範囲内にあるときは、速度指令変換部３１から零速度指令が出力され、メカニカルブレーキ２３は解除された状態となる。

ここで、零速度指令とは、上部旋回体３の旋回速度を零にするために、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を零にするための速度指令であり、後述するＰＩ(Proportional Integral)制御では、回転軸２１Ａの回転速度を零に近づけるための目標値として用いられる。

なお、メカニカルブレーキ２３の制動（オン）／解除（オフ）の切り替えは、不感帯領域と零速度指令領域の境界においてコントローラ３０内の旋回駆動制御装置４０によって行われる。

従って、レバー２６Ａの操作量が零速度指令領域内にある間は、メカニカルブレーキ２３は解除され、零速度指令により、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａは停止状態に保持される。これにより、上部旋回体３は旋回駆動されずに停止状態に保持される。

「左方向旋回駆動領域」
左方向旋回駆動領域は、上部旋回体３を左方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部３１から出力される領域である。

この領域内では、レバー２６Ａの操作量に応じて、速度指令の絶対値が増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置４０で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機２１が駆動され、この結果、上部旋回体３が左方向に旋回駆動される。

なお、上部旋回体３の旋回速度をある一定以下に制限するために、左方向旋回駆動領域における速度指令値は、絶対値が所定の値で制限される。

「右方向旋回駆動領域」
右方向旋回駆動領域は、上部旋回体３を右方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部３１から出力される領域である。

この領域内では、レバー２６Ａの操作量に応じて、速度指令の絶対値が増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置４０で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機２１が駆動され、この結果、上部旋回体３が右方向に旋回駆動される。

なお、左方向旋回駆動領域と同様に、右方向旋回駆動領域における速度指令値は、絶対値が所定の値で制限される。

「旋回駆動制御装置４０」
図４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制御部５２、トルク制限部５３、トルク制限部５４、減算器５５、ＰＩ制御部５６、電流変換部５７、及び旋回動作検出部５８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５８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、主制御部６０のＣＰＵによって読み出され、トルク制限部５３に入力される。

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の許容最大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、バケット６が積み上げられた土砂等に触れて旋回用電動機２１の負荷が大きい状態でも、旋回用電動機２１を駆動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、トルク電流指令値を制限するための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、主制御部６０のＣＰＵによって読み出され、トルク制限部５４に入力される。

減算器５５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５７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５６及び電流変換部５７を含むフィードバックループにおいて、電流変換部５７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５６は、減算器５５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５６から入力される電圧指令に基づき、旋回用電動機２１をＰＷＭ駆動する。

電流変換部５７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５５に入力する。

旋回動作検出部５８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が所望の位置まで旋回される。

図５は、主制御部６０の一機能として実現される許容値切替部６１を示す機能ブロック図である。この許容値切替部６１は、トルク制限部５４の許容値を絶対値で増大させるための手段であり、主制御部６０のＣＰＵが内部メモリに格納されるプログラムを実行することによって実現される演算部である。

許容値切替部６１は、判定部６２と切替スイッチ部６３及び６４を含む。判定部６２には、速度指令と回転速度が入力される。この速度指令は、速度指令変換部３１から主制御部６０に入力されるものであり、回転速度は、旋回動作検出部５８から主制御部６０に入力されるものである。

また、切替スイッチ部６３は入力端子ａ及びｂを有し、入力端子ａには、正転側の通常時用のトルク許容値（１００％）が入力され、入力端子ｂには、正転側の高負荷時用のトルク許容値（２００％）が入力される。これらのトルク許容値は、主制御部６０のＣＰＵによって内部メモリから読み出されて入力端子ａ及びｂに入力される。

ここで、通常時用のトルク許容値（１００％）は、旋回用電動機２１の正転側の連続定格トルクを表すトルク電流指令値に対応する。また、高負荷時用のトルク許容値（２００％）は、旋回用電動機２１の正転側の短時間定格トルクを表すトルク電流指令値に対応する。

高負荷時には、駆動指令生成部５０によって最終的に生成されるトルク電流指令の値を絶対値で増大させてトルク不足を補うために、絶対値が通常時用のトルク許容値の倍である短時間定格トルクをトルク制限部５４のトルク許容値として設定するためである。

同様に、切替スイッチ部６４は入力端子ａ及びｂを有し、入力端子ａには、逆転側の通常時用のトルク許容値（−１００％）が入力され、入力端子ｂには、逆転側の高負荷時用のトルク許容値（−２００％）が入力される。

ここで、通常時用のトルク許容値（−１００％）は、旋回用電動機２１の逆転側の連続定格トルクを表すトルク電流指令値に対応する。また、高負荷時用のトルク許容値（−２００％）は、旋回用電動機２１の逆転側の短時間定格トルクを表すトルク電流指令値に対応する。これらのトルク許容値は、逆転側のトルクを制限するために、正転側のトルク許容値の符号を反転させたものである。

なお、通常時は、切替スイッチ部６３及び６４は、ともに入力端子ａに接続されており、トルク制限部５４には連続定格トルクに対応するトルク許容値が入力される。

「判定部６２の処理」
図６は、許容値切替部６１の判定部６２によって実行されるトルク許容値の切り替え処理の手順を示す図である。

判定部６２は、速度指令変換部３１から入力される速度指令が正又は負のいずれであるかを判定する（ステップＳ１）。ここで、速度指令が正又は負である場合とは、図３に示す速度指令変換特性において、レバー２６Ａの操作量が右方向旋回駆動領域、又は左方向旋回駆動領域にある場合に相当する。なお、速度指令が零である場合は、速度指令が正又は負のいずれかになるまでステップＳ１の処理を繰り返し実行する。この速度指令が零である場合とは、レバー２６Ａの操作量が図３に示す零速度指令領域にある場合に相当する。

「正転側の処理」
判定部６２は、速度指令が正であると判定した場合は、正転側の制御処理を行うために、回転速度が正又は零であるか否かを判定する（ステップＳ２）。すなわち、レバー２６Ａの操作量が右方向旋回駆動領域にある場合に、回転速度≧０が成立するか否かを判定する。

判定部６２は、回転速度≧０が成立すると判定した場合は、速度指令で表される回転速度と旋回動作検出部５８で検出される実際の回転速度との偏差が第１閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。この第１閾値は、例えば、速度指令で表される回転速度の３０％に設定される。

次いで、判定部６２は、待機時間をカウントする（ステップＳ４）。この待機時間は、例えば、０．１秒間に設定される。

さらに、判定部６２は、待機後の速度指令が表す回転速度と旋回動作検出部５８で検出される実際の回転速度との偏差が依然として第１閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。

判定部６２は、ステップＳ５において、０．１秒間待機した後の偏差が依然として第１閾値よりも大きいと判定した場合は、切替スイッチ部６３を入力端子ｂに切り替える（ステップＳ６）。これにより、トルク制限部５４の正転側のトルク許容値が通常時のトルク許容値（１００％）の倍である高負荷時用のトルク許容値（２００％）に増大される。

次いで、判定部６２は、ステップＳ６の処理時間をカウントする（ステップＳ７）。この処理時間は、例えば、１．０秒間に設定される。

判定部６２は、ステップＳ７において１．０秒をカウントし終えると、切替スイッチ部６３を入力端子ａに切り替える（ステップＳ８）。これにより、トルク制限部５４の正転側のトルク許容値が高負荷時用のトルク許容値（２００％：短時間定格トルク）から通常時のトルク許容値（１００％：連続定格トルク）に戻される。旋回用電動機２１を短時間定格トルクで駆動するのは短時間に限られるため、トルクを増大させる期間を１．０秒間というごく短い時間に設定したものである。

なお、判定部６２は、ステップＳ２で回転速度が負であると判定した場合は、速度指令が逆転側に切り替えられたと判定し、手順を終了する。終了後は図６に示す手順がステップＳ１から繰り返し実行される。

また、判定部６２は、ステップＳ３において、偏差が第１閾値以下であると判定した場合は、手順を終了する。終了後は図６に示す手順がステップＳ１から繰り返し実行される。

また、判定部６２は、ステップＳ５において、偏差が第１閾値以下であると判定した場合は、ステップＳ４で待機している間に偏差が小さくなって旋回用電動機２１の実際の回転速度が速度指令に追いついてきたと判定し、手順を終了する。

また、判定部６２は、ステップＳ１において速度指令が負であると判定した場合は、手順をステップＳ９に進行させる。これは、レバー２６Ａの操作量が左方向旋回駆動領域にある場合であり、この場合は、ステップＳ９以下の逆転側の制御処理を実行する。

「逆転側の処理」
判定部６２は、速度指令が負であると判定した場合は、逆転側の制御処理を行うために、回転速度が負又は零であるか否かを判定する（ステップＳ９）。すなわち、レバー２６Ａの操作量が左方向旋回駆動領域にある場合に、回転速度≦０が成立するか否かを判定する。

判定部６２は、回転速度≦０が成立すると判定した場合は、速度指令が表す回転速度と旋回動作検出部５８で検出される実際の回転速度との偏差の絶対値が第１閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０）。この第１閾値は、例えば、速度指令で表される回転速度の３０％に設定される。

次いで、判定部６２は、待機時間をカウントする（ステップＳ１１）。この待機時間は、例えば、０．１秒間に設定される。

さらに、判定部６２は、待機後の速度指令が表す回転速度と旋回動作検出部５８で検出される実際の回転速度との偏差の絶対値が依然として第１閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。

判定部６２は、ステップＳ１２において、０．１秒間待機した後の偏差の絶対値が依然として第１閾値よりも大きいと判定した場合は、切替スイッチ部６３を入力端子ｂに切り替える（ステップＳ１３）。これにより、トルク制限部５４の逆転側のトルク許容値が通常時のトルク許容値（−１００％）の倍である高負荷時用のトルク許容値（−２００％）に絶対値で増大される。

次いで、判定部６２は、ステップＳ１３の処理時間をカウントする（ステップＳ１４）。この処理時間は、例えば、１．０秒間に設定される。

判定部６２は、ステップＳ７において１．０秒をカウントし終えると、切替スイッチ部６４を入力端子ａに切り替える（ステップＳ１５）。これにより、トルク制限部５４の逆転側のトルク許容値が高負荷時用のトルク許容値（−２００％：短時間定格トルク）から通常時のトルク許容値（−１００％：連続定格トルク）に戻される。旋回用電動機２１を短時間定格トルクで駆動するのは短時間に限られるため、トルクを増大させる期間を１．０秒間というごく短い時間に設定したものである。

なお、判定部６２は、ステップＳ９で回転速度が正であると判定した場合は、速度指令が正転側に切り替えられたと判定し、手順を終了する。終了後は図６に示す手順がステップＳ１から繰り返し実行される。

また、判定部６２は、ステップＳ１０において、偏差の絶対値が第１閾値以下であると判定した場合は、手順を終了する。終了後は図６に示す手順がステップＳ１から繰り返し実行される。

また、判定部６２は、ステップＳ１２において、偏差の絶対値が第１閾値以下であると判定した場合は、ステップＳ１１で待機している間に偏差が小さくなって旋回用電動機２１の実際の回転速度が速度指令に追いついてきたと判定し、手順を終了する。

以上の処理は、本実施の形態の建設機械が運転されている間は、繰り返し行われる。

「動作説明」
図７は、速度指令変換部３１から出力される速度指令、旋回動作検出部５８で検出される実際の回転速度、及び旋回用電動機２１を駆動するために最終的に駆動指令生成部５０から出力されるトルク電流指令の関係を示す特性図であり、（ａ）は正転側、（ｂ）は逆転側の特性を示す。

図７（ａ）に示すように、速度指令が零である状態（速度指令変換部３１から零速度指令が出力されている状態）からレバー２６Ａが操作されて右方向旋回領域に入り、速度指令が１００％に立ち上がると、駆動指令生成部５０からは連続定格トルク（１００％）を出力するための値を有するトルク電流指令が出力される。

このとき、判定部６２は、速度指令で表される回転速度と旋回動作検出部５８で検出される実際の回転速度との偏差が第１閾値（速度指令で表される回転速度の３０％）より大きいか否かを判定する（ステップＳ３の判定）。

図７（ａ）では、速度指令が１００％に立ち上がっても、実際の回転速度は零（０）のままであり、速度指令で表される回転速度と旋回動作検出部５８で検出される実際の回転速度との偏差が第１閾値（速度指令で表される回転速度の３０％）より大きい状態が生じている。

そして、図７（ａ）では、この状態が０．１秒間継続した時点において依然として偏差が第１閾値より大きいため（ステップＳ５の判定）、判定部６２は、切替スイッチ部６３を入力端子ｂに切り替え、トルク制限部５４の正転側のトルク許容値が通常時のトルク許容値（１００％）の倍である高負荷時用のトルク許容値（２００％）に増大される（ステップＳ６の処理）。このため、図７（ａ）に示すように、駆動指令生成部５０から出力されるトルク電流指令の値は２倍に増大され、短時間定格トルク（２００％）を出力するための値を有するトルク電流指令が出力される。

このように、トルク電流指令が２倍に増大されると、それまで零（０）であった実際の回転速度が上昇し始める。これにより、土砂等を押し退ける場合のように旋回用電動機２１が高負荷の状態においても、上部旋回体３を確実に旋回させることができる。

さらに、トルク制限部５４のトルク許容値の増大させる処理は、１．０秒間に限られているため、図７（ａ）に示すように、トルク電流指令は、増大されてから１．０秒後に増大前の元の値に戻される。これにより、トルク電流指令が連続定格トルク（１００％）を出力するための値に戻され（ステップＳ９の処理）、旋回動作検出部５８によって検出される実際の回転速度の上昇率が緩やかになる。

なお、図７（ｂ）に逆転側の特性図を示すが、旋回方向が左方向になることによって制御量の符号が反対になること以外は図７（ａ）の特性及び動作に準ずるため、その説明を省略する。

以上のように、本実施の形態の旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械によれば、速度指令変換部３１から入力される速度指令が表す回転速度と、旋回動作検出部５８によって検出される実際の回転速度との偏差が第１閾値よりも大きい時間が０．１秒以上継続すると、トルク制限部５４のトルク許容値を絶対値で増大するので、作業中に、上部旋回体を旋回させながらバケット６等の作業要素で土砂や岩石等を押し退けるときにトルク不足を補うことができ、これにより、作業性を各段に良好なものとすることができる。

また、上述のように、必要な状態においてのみトルク制限部５４のトルク許容値を増大させるため、旋回用電動機２１やインバータ２０を大型化する必要がない。このため、電力損失の増大や、大幅なコストアップを生じることなく、作業性を向上させることができる。

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５８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５８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、高負荷時に旋回用電動機２１を駆動するための最終的なトルク電流値を増大させるために、トルク制限部５４のトルク許容値を絶対値で短時間定格トルクにまで増大させる形態について説明したが、旋回駆動制御装置及び建設機械の仕様等に応じて、連続定格トルクに対応するトルク許容値よりも大きく、かつ、短時間定格トルクに対応するトルク許容値以下の任意の値に設定してもよい。

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含む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。 本実施の形態の建設機械の速度指令変換部において操作レバーの操作量を速度指令に変換する変換特性を示す図である。 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主制御部の一機能として実現される許容値切替部を示す機能ブロック図である。 本実施の形態の旋回駆動制御装置の許容値切替部の判定部によって実行されるトルク許容値の切り替え処理の手順を示す図である。 本実施の形態の旋回駆動制御装置の速度指令変換部から出力される速度指令、旋回動作検出部で検出される実際の回転速度、及び旋回用電動機を駆動するために最終的に駆動指令生成部から出力されるトルク電流指令の関係を示す特性図であり、（ａ）は正転側、（ｂ）は逆転側の特性を示す。

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 減算器
５６ ＰＩ制御部
５７ 電流変換部
５８ 旋回動作検出部
６０ 主制御部
６１ 許容値切替部
６２ 判定部
６３、６４ 切替スイッチ部

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の操作量に基づき、前記電動機の回転速度を制御するための速度指令を出力する速度指令出力手段と、
   前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記速度指令出力手段から出力される速度指令と、前記回転速度検出手段によって検出される回転速度とに基づき、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手段と、
   前記旋回機構に対し負荷が加っている方向へ駆動指令が出力されている際に、前記速度指令で表される回転速度と、前記回転速度検出手段によって検出される回転速度との偏差の絶対値に基づき旋回駆動が高負荷か低負荷かを判定するとともに、該絶対値が所定値以上である場合は旋回駆動が高負荷であると判定して前記駆動指令生成手段によって生成される駆動指令の値を絶対値で増大させる駆動指令増大手段と、
   該駆動指令増大手段により増大された駆動指令の値が、予め時間に基づいて定められている条件に達すると、駆動指令の値を低負荷時の値へ戻す判定部と
   を含む、旋回駆動制御装置。
2. 前記駆動指令増大手段は、前記操作手段の操作量に基づく前記速度指令で表される回転速度と、前記回転速度検出手段によって検出される回転速度との偏差に基づいて第１駆動指令を出力するとともに、前記偏差の絶対値が所定値以上である場合は、前記駆動指令生成手段によって生成される駆動指令の値を前記第１駆動指令より絶対値で大きい第２駆動指令を所定の短時間の間にわたって出力する、請求項１に記載の旋回駆動制御装置。
3. 前記駆動指令増大手段は、前記偏差が所定時間以上にわたって前記所定値以上である場
   合に、前記駆動指令生成手段によって生成される駆動指令の値を増大させる、請求項１に記載の旋回駆動制御装置。
4. 前記駆動指令増大手段は、所定の短時間の間、前記駆動指令生成手段によって生成され
   る駆動指令の値を絶対値で増大させる、請求項１又は３の何れかに記載の旋回駆動制
   御装置。
5. 前記駆動指令生成手段は、前記駆動指令によって前記電動機で発生する駆動トルクが許
   容値以下になるように前記駆動指令の値を絶対値で制限する制限手段を含み、
   前記駆動指令増大手段は、前記制限手段の許容値を増大させることにより、前記駆動指
   令生成手段によって生成される駆動指令の値を絶対値で増大させる、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. 前記駆動指令増大手段は、前記制限手段の許容値を前記電動機の連続定格トルクを表す
   駆動指令値よりも大きく、かつ、短時間定格トルクを表す駆動指令値以下の値にまで増大
   させる、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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