JP5395818B2

JP5395818B2 - 作業機械の旋回制御装置

Info

Publication number: JP5395818B2
Application number: JP2011011074A
Authority: JP
Inventors: 勉宇田川; 光夫園田; 学枝村; 武則廣木; 学杉浦; 英敏佐竹
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: EP2666914B1; JP2012154023A; US9103093B2; US20140032059A1; KR101863982B1; CN103328732A; CN103328732B; KR20140035335A; WO2012099211A1; EP2666914A4; EP2666914A1

Description

本発明は、旋回体を電動モータの出力トルクによって駆動する旋回装置と、相反する２方向のいずれかへの選択的な操作に伴って、その操作の操作方向および操作量を旋回指令信号に変換する旋回操作装置とを備え、その旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき電動モータを制御する作業機械の旋回制御装置に関する。

従来の作業機械の旋回制御装置としては、油圧ショベルに備えられたものがある。その従来の旋回制御装置は、相反する２方向に回転可能な電動モータの出力トルクによって旋回体を駆動する旋回装置と、中立位置から相反する２方向への選択的な操作が可能であって、操作方向および操作量を旋回指令信号に変換する旋回操作装置（操作レバー）と、この旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき電動モータを制御する制御手段とを備えている。

その制御手段は、電動モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき電動モータの目標回転速度を算出する目標回転速度算出手段と、回転速度検出手段により検出された実際の回転速度の、目標回転速度に対する速度偏差を算出する速度偏差算出手段と、この速度偏差算出手段により算出された速度偏差が解消される方向の電動モータの目標トルクを算出する第１目標トルク算出手段とを備えている。これらにより、電動モータの回転速度のフィードバック制御が行われ、この結果、旋回操作装置の中立位置からの相反する２つの操作方向のいずれについても、中立位置からの操作量の増加に伴い旋回体の旋回速度が大きく制御され、操作量の減少に伴い旋回体の旋回速度が小さく制御される。

油圧ショベルにより行われる作業の種類には、押付作業がある。この押付作業は溝の内側面にフロント作業装置のバケットの外側面を押し付けることによって、溝の内側面を押し固め整形する作業である。この押付作業の際、旋回体は旋回しない、すなわち実際の回転速度は０から変化しない。このため、第１目標トルク算出手段により算出された目標トルクに電動モータの出力トルクを制御するフィードバック制御だけでは、旋回操作装置の操作量に関係なく出力トルクが略最大に維持される状態となる。この状態では、溝の内側面にバケットを押し付ける方向の電動モータの出力トルクの調節ができない。

そこで、制御手段には、旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき、目標回転速度と同方向の電動モータの目標トルクを算出する第２目標トルク算出手段と、速度偏差が所定値以上となった状態、すなわち押付作業が開始されて旋回が停滞した状態を検知する検知手段と、この検知手段により旋回の停滞が検知されたときに、電動モータの制御を、第１目標トルク算出手段により算出される目標トルクに基づいて行う状態から、第２目標トルク算出手段により算出される目標トルクに基づいて行う状態に自動的に切り替える切替手段とが設けられている。これらにより、押付作業の際は、第２目標トルク算出手段により算出された目標トルクに基づき電動モータの出力トルクが制御される。この結果、旋回操作装置の中立位置からの相反する２つの操作方向のいずれについても、中立位置からの操作量の増加に伴い電動モータの出力トルクが大きく制御され、操作量の減少に伴い電動モータの出力トルクが小さく制御される。つまり、溝の内側面にバケットを押し付ける方向の電動モータの出力トルクを調節することができるようになる。（特許文献１参照）

特開２００８−３２８３９８号公報（段落００５１）

ところで、旋回体の旋回の停滞は、前述のように押付作業が行われた場合の他に、傾斜地で上り側に向かってフロント作業装置のバケットが空中で旋回された場合と、強風に抗してフロント作業装置が旋回された場合にも生じる。これら２つの場合、旋回の停滞だけでなく逆行が生じることもある。

前述した従来の旋回制御装置は、前出の２つの場合に旋回が停滞すると、押付作業時と同じく、旋回操作装置の操作量に応じて電動モータの出力トルクを制御する状態となる。この状態で旋回体の逆行を防止するためには、フロント作業装置に作用する重力成分、フロント作業装置に作用する風力に抗して少なくとも旋回体が停止するように、オペレータが旋回操作装置の中立位置からの操作量を調節する必要がある。

本発明は前述の事情を考慮してなされたものであり、その目的は、旋回体の旋回速度のフィードバック制御に起因する電動モータの出力トルクの過剰な上昇を抑えることができるとともに、逆行を自動的に防止することができる作業機械の旋回制御装置を提供することにある。

前述の目的を達成するために本発明に係る作業機械の旋回制御装置は次のように構成されている。

〔１〕本発明に係る作業機械の旋回制御装置は、相反する２方向に回転可能な電動モータの出力トルクによって旋回体を駆動する旋回装置と、中立位置から相反する２方向への選択的な操作が可能であって、操作方向および操作量を旋回指令信号に変換する旋回操作装置と、この旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき前記電動モータの目標トルクを算出し、この目標トルクに基づき前記電動モータの出力トルクを制御する制御手段とを備えた作業機械の旋回制御装置において、前記制御手段は、前記電動モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき前記電動モータの目標回転速度を算出する目標回転速度算出手段と、前記回転速度検出手段により検出された実際の回転速度の、前記目標回転速度に対する速度偏差を算出する速度偏差算出手段と、前記速度偏差が解消される方向の第１目標トルクを算出する第１目標トルク算出手段と、前記旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき、前記目標回転速度と同方向の第２目標トルクを算出する第２目標トルク算出手段と、前記回転速度検出手段による回転速度の検出値に基づき、予め設定された第１算出範囲内での前記電動モータの回転角度の変化量を算出する第１変化量算出手段と、前記回転速度検出手段による回転速度の検出値に基づき、予め設定された第２算出範囲内での前記電動モータの回転角度の変化量を算出する第２変化量算出手段と、前記第１，第２変化量算出手段のそれぞれにより算出された変化量に基づき、前記電動モータの回転角度が前記所定時間前の回転角度に戻る方向の第３目標トルクを算出する第３目標トルク算出手段と、前記第１目標トルクを前記第２，第３目標トルクのうち前記第１目標トルクと同方向で絶対値が大きい方の目標トルクに制限する目標トルク制限手段と、を備えており、前記第１算出範囲の略全体は、前記電動モータの相反する２つの回転方向のうち一方向の前記変化量の算出範囲を規定しており、その略全体を除いた残りの算出範囲は他方向の前記変化量の算出範囲を規定しており、前記第２算出範囲の略全体は、前記他方向の前記変化量の算出範囲を規定しており、その略全体を除いた残りの算出範囲は前記一方向の前記変化量の算出範囲を規定していることを特徴とする。

この「〔１〕」に記載の作業機械の旋回制御装置においては、回転速度検出手段が電動モータの実際の回転速度を検出し、目標回転速度算出手段が旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき電動モータの目標回転速度を算出し、速度偏差算出手段が実際の回転速度の目標回転速度に対する速度偏差を算出し、この速度偏差が解消される方向の電動モータの第１目標トルクを第１目標トルク算出手段が算出する。また、第２目標トルク算出手段が旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき、目標回転速度と同方向の電動モータの第２目標トルクを算出する。また、第１変化量算出手段が回転速度検出手段による回転速度の検出値に基づき、第１算出範囲内で電動モータの回転角度の変化量を算出し、第２変化量算出手段が回転速度検出手段による回転速度の検出値に基づき、第２算出範囲内で電動モータの回転角度の変化量を算出する。第３目標トルク算出手段は、第１，第２変化量算出手段のそれぞれにより算出された変化量に基づき、電動モータの回転角度が所定時間前の回転角度に戻る方向の第３目標トルクを算出する。そして、目標トルク制限手段は第１目標トルクを第２，第３目標トルクのうち第１目標トルクと同方向で絶対値の大きい方の目標トルクに制限する。これにより、フィードバック制御に起因する電動モータの出力トルクの過剰な上昇を抑えることができる。特に、作業機械が油圧ショベルである場合には、押付作業時にオペレータは旋回制御装置の操作量に応じて電動モータの出力トルクを調節することができる。また、第２目標トルクが逆行防止に不十分な場合には、第２目標トルクよりも絶対値が大きな第３目標トルクを第１目標トルクの制限値とすることができ、これにより旋回体の逆行の自動的な防止を旋回体の旋回角度に追従して行うことができる。

また、「〔１〕」に記載の旋回制御装置において、第１算出範囲の略全体は一方向の変化量の算出範囲を規定し、その略全体を除いた残りの算出範囲は他方向の変化量の算出範囲を規定する。これとは逆に第２算出範囲の略全体は他方向の変化量の算出範囲を規定し、その略全体を除いた残りの算出範囲は一方向の変化量の算出範囲を規定する。つまり、第１，第２算出範囲は略全体が規定する算出範囲とは正負の値が逆になる算出範囲を僅かに含む。これら正負の値が逆になる算出範囲内での変化量に基づき算出された第３目標トルクを用いることによって、逆行を確実に防止することができる。

〔２〕本発明に係る作業機械の旋回制御装置は、相反する２方向に回転可能な電動モータの出力トルクによって旋回体を駆動する旋回装置と、中立位置から相反する２方向への選択的な操作が可能であって、操作方向および操作量を旋回指令信号に変換する旋回操作装置と、この旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき前記電動モータの目標トルクを算出し、この目標トルクに基づき前記電動モータの出力トルクを制御する制御手段とを備えた作業機械の旋回制御装置において、前記制御手段は、前記電動モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき前記電動モータの目標回転速度を算出する目標回転速度算出手段と、前記回転速度検出手段により検出された実際の回転速度の、前記目標回転速度に対する速度偏差を算出する速度偏差算出手段と、前記速度偏差が解消される方向の第１目標トルクを算出する第１目標トルク算出手段と、前記旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき、前記目標回転速度と同方向の第２目標トルクを算出する第２目標トルク算出手段と、前記旋回体の実際の旋回角度を検出する旋回角度検出手段と、この旋回角度検出手段により検出された旋回角度の登録を指令する登録指令手段と、この登録指令手段により指令された旋回角度を登録旋回角度として記憶する旋回角度登録手段と、前記旋回角度検出手段により検出された実際の旋回角度の、前記登録旋回角度に対する角度偏差を算出する角度偏差算出手段と、前記角度偏差に基づき、前記旋回体を前記登録旋回角度に戻す方向の第３目標トルクを算出する第３目標トルク算出手段と、前記第１目標トルクを前記第２，第３目標トルクのうち前記第１目標トルクと同方向で絶対値が大きい方の目標トルクに制限する目標トルク制限手段と、を備えていることを特徴とする。

「〔２〕」に記載の旋回制御装置は、「〔１〕」に記載の旋回制御装置の制御手段と同様に、第１目標トルクを第２，第３目標トルクのうち第１目標トルクと同方向で絶対値の大きい方の目標トルクに制限する。これにより、フィードバック制御に起因する電動モータの出力トルクの過剰な上昇を抑えることができる。

また、「〔２〕」に記載の旋回制御装置において、旋回角度登録手段は、旋回角度検出手段により検出された旋回角度の登録を、登録指令手段による指令に応じて登録旋回角度として記憶し、角度偏差算出手段は実際の旋回角度の登録旋回角度に対する角度偏差を算出し、この角度偏差に基づき第３目標トルク算出手段は旋回体を登録旋回角度に戻す方向の第３目標トルクを算出する、という点は、「〔１〕」に記載の旋回制御装置の制御手段と異なる。電動モータの出力トルクをその第３目標トルクに制御することによって、旋回体の逆行の自動的な防止を、登録旋回角度から離れる方向の逆行に対して実施できる。

「〔１〕」に記載の本発明によれば、旋回体の旋回速度のフィードバック制御に起因する電動モータの出力トルクの過剰な上昇を抑えることができるとともに、旋回体の逆行の自動的な防止を、旋回体の旋回角度に追従して行うことができる。

「〔２〕」に記載の本発明によれば、旋回体の旋回速度のフィードバック制御に起因する電動モータの出力トルクの過剰な上昇を抑えることができるとともに、旋回体の逆行の自動的な防止を、登録された任意の旋回角度（登録旋回角度）から離れる方向の逆行に対して実施できる。

本発明の第１実施形態に係る旋回制御装置が設けられた作業機械である油圧ショベルの側面図である。本発明の第１実施形態に係る旋回制御装置の構成を示すブロック図である。図２に示した目標回転速度算出手段により算出される目標回転速度の特性を示す図である。図２に示した第２目標トルク算出手段により算出される第２目標トルクの特性を示す図である。図２に示した第３目標トルク算出手段により算出される第３目標トルクの特性を示す図である。図２に示した第３目標トルク算出手段に備えられた第１，第２補正手段を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係る旋回制御装置の構成を示すブロック図である。図４に示した第３目標トルク算出手段に備えられた第１，第２補正手段を示すブロック図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る作業機械の旋回制御装置について図１〜図６を用いて説明する。

図１に示すように、油圧ショベル１は、履帯２ａを駆動して走行する走行体２と、走行体２に旋回ベアリング（図示していない）を介して結合している旋回体３と、旋回体３の前部の略中央に設けられたフロント作業装置４とを有する。旋回体３は、フロント作業装置４の左側方に設けられたキャブ３ａと、旋回体３の後端部を形成しているカウンタウェイト３ｃと、キャブ３ａの後方からカウンタウェイト３ｃの間に亘って形成された機械室３ｂとを有する。フロント作業装置４は、バックホウタイプであり、旋回体３の前部に上下方向に回動自在に結合しているブーム４ａと、このブーム４ａに回動自在に結合しているアーム４ｂと、このアーム４ｂに回動自在に結合しているバケット４ｃとを有する。

旋回体３は旋回装置１０により駆動されるようになっている。この旋回装置１０は、相反する２方向に回転可能な油圧モータ１１と、この油圧モータ１１に伝動可能に接続されており、相反する２方向に回転可能な電動モータ１２と、油圧モータ１１および電動モータ１２を制動するメカニカルブレーキ１３と、電動モータ１２に伝動可能に接続された減速機１４とを備えている。メカニカルブレーキ１３は湿式多板型で油圧操作式の装置であり、旋回体３を旋回させる旨の指令があったとき、および、フロント作業装置の作動が指令されたときに、ブレーキ解除圧が付与されて制動が解除されるネガティブブレーキである。減速機１４は前出の旋回ベアリング（図示していない）の内周面に設けられたリングギアに伝動可能に接続されている。なお、電動モータ１２は旋回体３の減速時に発電機として機能し、これにより旋回体３の慣性エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。電動モータ３により発電された電気エネルギーはバッテリー（図示していない）に蓄電されるようになっている。

キャブ３ａ内には、旋回操作装置１５が設けられている。この旋回操作装置１５は、オペレータに操作される操作レバー１６を備えている。この操作レバー１６は、中立位置から相反する２方向、例えば左右方向への選択的な傾倒操作が可能であって、旋回操作装置１５は中立位置からの操作レバー１６の操作方向および操作量を旋回指令信号（電気信号）に変換するものである。運転席に座ったオペレータにとっての左右方向のうち、左方向に操作レバー１６が傾倒操作されると、このときの操作方向である左方向と中立位置から左方向への操作量とを示す旋回指令信号が生成されることになる。逆に右方向に操作レバー１６が傾倒操作されると、このときの操作方向である右方向と中立位置から右方向への操作量とを示す旋回指令信号が生成されることになる。

キャブ３ａの後部にはコントローラ３０が設けられている。このコントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムおよびデータを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵの作業領域として利用されるＲＡＭ（Random Access Memory）、補助記憶装置等を備えており、ＲＯＭまたは補助記憶装置に記憶された制御プログラムおよびデータを読み出して、油圧ショベルの制御に関する処理を行うものである。

図２に示すように、コントローラ３０は、旋回操作装置１５と、電動モータ１２の回転速度ωを検出する回転速度検出手段としての回転速度センサ８１と、バッテリーから電動モータ１２に供給される電力を制御するインバータ８０とが電気的に接続されている。回転速度センサ８１は電動モータ１２の回転速度ωを回転速度信号（電気信号）に変換して出力するようになっている。

コントローラ３０と回転速度センサ８１は、旋回操作装置１５からの旋回指令信号に基づき電動モータ１２の目標トルクを算出し、この目標トルクに基づき電動モータ１２の出力トルクを制御する制御手段を構成している。

コントローラ３０は、旋回操作装置１５からの旋回指令信号に基づき電動モータ１２の目標回転速度を算出する目標回転速度算出手段３１と、回転速度センサ８１により検出された実際の回転速度ωの、目標回転速度に対する速度偏差を算出する速度偏差算出手段３２と、この速度偏差算出手段３２により算出された速度偏差が解消される方向の第１目標トルクを算出する第１目標トルク算出手段３３とを備えている。これらの手段３１〜３３は、ＲＯＭまたは補助記憶装置に予め記憶された制御プログラムおよびデータにより設定されたものである。

目標回転速度算出手段３１は、旋回操作装置１５からの旋回指令信号に基づき電動モータ１２の目標回転速度を算出する際、予め設定された目標回転速度特性３１ａ（図３に示す）を用いる。この目標回転速度特性３１ａは、操作レバー１６の中立位置からの操作方向（左右方向）および操作量と、目標回転速度との対応関係を規定したものである。目標回転速度特性３１ａでは、中立位置から左方向の操作量が正の値で扱われ、中立位置から右方向の操作量が負の値で扱われるとともに、左旋回に対応する回転方向（以下「正方向」と呼ぶ）の目標回転速度が正の値で扱われ、右旋回に対応する方向の回転方向（以下「負方向」と呼ぶ）が目標回転速度を負の値で扱われる。次に、目標回転速度特性３１ａにより規定された対応関係について具体的に説明する。

図３に示すように、操作量が０のとき、すなわち操作レバー１６が中立位置にあるとき、目標回転速度は０となる。操作レバー１６が中立位置から左方向に操作されたとき、目標回転速度の方向は正方向となる。中立位置から左方向への操作量が大きくなるほど、正方向の目標回転速度も大きくなる。だだし、操作レバー１６が左方向の操作の限界位置よりも中立位置寄りに位置して操作量が所定操作量Ｓ１に達した場合に、正方向の目標回転速度は最大値Ｒｍａｘとなる。左方向の操作の限界位置に対応する操作量Ｓｍａｘと所定操作量Ｓ１との間の範囲内での操作量に対し、正方向の目標回転速度は最大値Ｒｍａｘとなる。

操作レバー１６が中立位置から右方向に操作されたときは、中立位置から左方向に操作された場合と逆で、目標回転速度の方向は負方向となる。中立位置から右方向への操作量が大きくなるほど、すなわち負の操作量の絶対値が大きくなるほど、負方向の目標回転速度の絶対値も大きくなる。だだし、操作レバー１６が右方向の操作の限界位置よりも中立位置寄りに位置して操作量が所定操作量−Ｓ１に達した場合に、負方向の目標回転速度は最小値−Ｒｍａｘとなる。右方向の操作の限界位置に対応する操作量−Ｓｍａｘと所定操作量−Ｓ１との間の範囲内での操作量に対し、負方向の目標回転速度は最小値−Ｒｍａｘとなる。

第１目標トルク算出手段３３は、目標回転速度よりも実際の回転速度ωが遅いとき、目標回転速度と同方向の第１目標トルクを算出する。目標回転速度に対して実際の回転速度ωが遅いほど、第１目標トルクの絶対値は大きく算出される。

コントローラ３０はさらに、旋回操作装置１５からの旋回指令信号に基づき、目標回転速度と同方向の第２目標トルクを算出する第２目標トルク算出手段３４を備えている。この第２目標トルク算出手段３４は、ＲＯＭまたは補助記憶装置に予め記憶された制御プログラムおよびデータにより設定されたものである。この第２目標トルク算出手段３４は、旋回操作装置１５からの旋回指令信号に基づき第２目標トルクを算出する際、予め設定された第１トルク特性３４ａ（図４（ａ）参照）および第２トルク特性３４ｂ（図４（ｂ）参照）を用いる。これら第１トルク特性３４ａおよび第２トルク特性３４ｂは、操作レバー１６の中立位置からの操作方向および操作量と、第２目標トルクとの対応関係を規定したものである。次に、これら第１トルク特性３４ａおよび第２トルク特性３４ｂにより規定された対応関係について具体的に説明する。

図４（ａ）に示すように、操作量が０のとき、すなわち操作レバー１６が中立位置にあるとき、第２目標トルクは０となる。操作レバー１６が中立位置から左方向に操作されたとき、第２目標トルクの方向は正方向となる。中立位置から左方向への操作量が大きくなるほど、正方向の第２目標トルクも大きくなる。だだし、操作量０から０近傍の所定の小操作量Ｓ２未満の範囲内において、第２目標トルクは０となる。また、所定の小操作量Ｓ２のときに第２目標トルクはＴｃとなる。また、操作レバー１６が左方向の操作の限界位置よりも中立位置寄りに位置して操作量が所定操作量Ｓ１に達した場合に、正方向の第２目標トルクは最大値Ｔｍａｘとなる。操作量Ｓｍａｘと所定操作量Ｓ１との間の範囲内での操作量に対し、正方向の第２目標トルクは最大値Ｔｍａｘとなる。最大値Ｔｍａｘは電動モータ１２の出力トルクの最大値に設定されている。

図４（ｂ）に示すように、操作レバー１６が中立位置から右方向に操作されたときは、中立位置から左方向に操作されたときと逆で、第２目標トルクの方向は負方向となる。中立位置から右方向への操作量が大きくなるほど、負方向の第２目標トルクの絶対値も大きくなる。だだし、操作量０から０近傍の所定の小操作量−Ｓ２未満の範囲内において、第２目標トルクは０となる。また、所定の小操作量−Ｓ２のときに第２目標トルクは−Ｔｃとなる。また、操作レバー１６が右方向の操作の限界位置よりも中立位置寄りに位置して操作量が所定操作量−Ｓ１に達した場合に、負方向の第２目標トルクは最小値−Ｔｍａｘとなる。操作量−Ｓｍａｘと所定操作量−Ｓ１との間の範囲内での操作量に対し、負方向の第２目標トルクは最小値−Ｔｍａｘとなる。

コントローラ３０はさらに、電動モータ１２の回転角度の所定時間ｔ内での変化量を、予め設定された第１算出範囲内で算出する第１変化量算出手段５０と、電動モータ１２の回転角度の所定時間ｔ内での変化量を、予め設定された第２算出範囲内で算出する第２変化量算出手段６０と、第１変化量算出手段５０および第２変化量算出手段６０のそれぞれにより算出された変化量に基づき、電動モータ１２の回転角度が所定時間ｔ前の回転角度に戻る方向の第３目標トルクを算出する第３目標トルク算出手段４０とを備えている。これらの手段５０，６０，４０は、ＲＯＭまたは補助記憶装置に予め記憶された制御プログラムおよびデータにより設定されたものである。

第１変化量算出手段５０は具体的には、加え合せ手段５２、遅延手段５１（メモリ装置）、選択手段５３を備えて構成されている。選択手段５３は、上限値Ｃ１を予め記憶しており、遅延手段５１から得た加算値がその上限値Ｃ１以下かどうかの判定を行うとともに、上限値Ｃ１以下であるとの判定結果を得た場合に、その加算値を第３目標トルク算出手段４０による演算で使用する値として選択し、その加算値が上限値Ｃ１以下ではないとの判定結果、すなわち上限値Ｃ１を超えているとの判定結果を得た場合に、その加算値ではなく上限値Ｃ１を第３目標トルク算出手段４０による演算で使用する値として選択するものである。加え合わせ手段５２は、選択手段５３の出力値と回転速度センサ８１からの回転速度の検出値との加算値を求めるものである。遅延手段５１は、この遅延手段５１に入力された加算値を次回の選択手段５３の入力値として一時的に記憶保持するものである。遅延手段５１に前回値が記憶されていない状態においては、選択手段５３は上限値Ｃ１と比較および第３目標トルク算出手段４０への出力は行わず、選択手段５３に入力された回転速度センサ８１からの回転速度の検出値をそのまま加え合わせ手段５２に出力するように設定されている。これら加え合せ手段５２、遅延手段５１（メモリ装置）、選択手段５３による第１変化量算出手段５０での処理は、所定時間ｔの演算周期で行われるようになっている。

上限値Ｃ１は正の変化量に対して設定されたもの、すなわち左旋回に伴う電動モータ１２の正方向の回転角度の変化量に対して設定されたものである。第１算出範囲は、その略全体が負の変化量の算出範囲を規定しており、その略全体を除いた残りの算出範囲がＣ１を上限値とする正の変化量の算出範囲を規定している。なお、第１算出範囲の負の変化量の算出範囲に対しては、下限値は設けられていない。

第２変化量算出手段６０は具体的には、加え合せ手段６２、遅延手段６１（メモリ装置）、選択手段６３を備えて構成されている。選択手段６３は、下限値Ｃ２を予め記憶しており、遅延手段６１から得た加算値がその下限値Ｃ２以上かどうかの判定を行うとともに、下限値Ｃ２以上であるとの判定結果を得た場合に、その加算値を第３目標トルク算出手段４０による演算で使用する値として選択し、その加算値が下限値Ｃ２以上ではないとの判定結果、すなわち下限値Ｃ２を下回っているとの判定結果を得た場合に、その加算値ではなく下限値Ｃ１を第３目標トルク算出手段４０による演算で使用する値として選択するものである。加え合わせ手段６２は、選択手段６３の出力値と回転速度センサ８１からの回転速度の検出値との加算値を求めるものである。遅延手段６１は、この遅延手段６１に入力された加算値を次回の選択手段６３の入力値として一時的に記憶保持するものである。遅延手段６１に前回値が記憶されていない状態においては、選択手段６３は下限値Ｃ２と比較および第３目標トルク算出手段４０への出力は行わず、選択手段６３に入力された回転速度センサ８１からの回転速度の検出値をそのまま加え合わせ手段６２に出力するように設定されている。これら加え合せ手段６２、遅延手段６１（メモリ装置）、選択手段６３による第２変化量算出手段６０での処理は、所定時間ｔの演算周期で行われるようになっている。

下限値Ｃ２は負の変化量に対して設定されたもの、すなわち右旋回に伴う電動モータ１２の負方向の回転角度の変化量に対して設定されたものである。第２算出範囲は、その略全体が正の変化量の算出範囲を規定しており、その略全体を除いた残りの算出範囲がＣ２を下限値とする負の変化量の算出範囲を規定している。なお、第２算出範囲の正の変化量の算出範囲に対しては、上限値は設けられていない。

第３目標トルク算出手段４０は、第３目標トルクを算出する際、予め設定された第１逆行防止特性４０ａ（図５（ａ）参照）および第２逆行防止特性４０ｂ（図５（ｂ）参照）を用いる。第１逆行防止特性４０ａは電動モータ１２の回転角度の所定時間ｔ内での負の変化量と第３目標トルクとの対応関係を規定したものである。第２逆行防止特性４０ｂは電動モータ１２の回転角度の所定時間ｔ内での正の変化量と第３目標トルクとの対応関係を規定したものである。次に、それら第１逆行防止特性４０ａ、第２逆行防止特性４０ｂにより規定された対応関係について具体的に説明する。

図５（ａ）に示すように、変化量が０、または正の変化量である場合に第３目標トルクは０となる。負の変化量に対し、第３目標トルクの方向は正方向となる。この正方向の第３目標トルクの最大値は、電動モータ１２の出力トルクの最大値Ｔｍａｘに規定されている。０からその最大値Ｔｍａｘまでの範囲での第３目標トルクの特性は、負の変化量の絶対値が大きくなるほど正方向の第３目標トルクが大きくなり、負の変化量が所定変化量−Ｓ３のときに正方向の第３目標トルクが最大値Ｔｍａｘとなるよう、一次関数により規定されている。所定変化量−Ｓ３は、この所定変化量−Ｓ３に対応する右方向の旋回角度の変化量をオペレータに感じさせない程度のわずかな大きさであることを意図して設定されたものであり、例えば右方向の旋回角度１°に相当するよう設定されている。

図５（ｂ）に示すように、変化量が０、または負の変化量である場合に第３目標トルクは０となる。正の変化量に対し、第３目標トルクの方向は負方向となる。この負方向の第３目標トルクの最小値は−Ｔｍａｘに規定されている。０からその最小値−Ｔｍａｘまでの範囲での第３目標トルクの特性は、正の変化量が大きくなるほど負方向の第３目標トルクの絶対値が大きくなり、正の変化量が所定変化量Ｓ３のときに負方向の第３目標トルクが最小値−Ｔｍａｘとなるよう、一次関数により規定されている。所定変化量Ｓ３は、この所定変化量Ｓ３に対応する左方向の旋回角度の変化量をオペレータに感じさせない程度のわずかな大きさであることを意図して設定されたものであり、例えば左方向の旋回角度１°に相当するよう設定されている。

コントローラ３０はさらに、第１目標トルクをこの第１目標トルクと同方向の第２，第３目標トルクのうち絶対値の大きい方に制限する目標トルク制限手段７０を備えている。この目標トルク制限手段７０は、ＲＯＭまたは補助記憶装置に予め記憶された制御プログラムおよびデータにより設定されたものであり、具体的には次に説明する左旋回用目標トルク選択手段７１と、右旋回用目標トルク選択手段７２と、制限値決定手段７３とを備えている。

左旋回用目標トルク選択手段７１は、第２目標トルク算出手段３４において第２トルク特性３４ａ（図４（ａ）に示す）を用いて算出された第２目標トルクと、第３目標トルク算出手段４０において第１逆行防止特性４０ａ（図５（ａ）に示す）を用いて算出された第３目標トルクとのうち大きい方を選択する、または、第２，第３目標トルクがいずれも０のときには０を選択するものである。

右旋回用目標トルク選択手段７２は、第２目標トルク算出手段３４において第２トルク特性３４ｂ（図４（ｂ）に示す）を用いて算出された第２目標トルクと、第３目標トルク算出手段４０において第２逆行防止特性４０ｂ（図５（ｂ）に示す）を用いて算出された第３目標トルクとのうち絶対値の大きい方を選択する、または、第２，第３目標トルクがいずれも０のときには０を選択するものである。

制限値決定手段７３は、左旋回用目標トルク選択手段７１により選択された目標トルクと、右旋回用目標トルク選択手段７２により選択された目標トルクとのうち、第１目標トルクと同じ方向の目標トルクを第１目標トルクの制限値として選択するものである。つまり、第１目標トルクが正方向の場合には第２，第３目標トルクのうちのいずれかが第１目標トルクの上限値に設定され、第１目標トルクが負方向の場合には第２，第３目標トルクのうちのいずれかが第１目標トルクの下限値に設定されるようになっている。

また、図６に示すように、第３目標トルク算出手段４０は、電動モータ１２の出力トルクが第３目標トルクに制御される場合に、電動モータ１２の回転角度の所定時間ｔ内での変化量に応じて、すなわち第３目標トルクの絶対値に応じて電動モータ１２の出力トルクのオーバーシュートを低減するための補正を行う第１補正手段４１および第２補正手段４５を備えている。

第１補正手段４１は、微分手段４２、乗算手段４３、減算手段４４を備えており、これらによって、負の変化量に基づき、予め設定された補正用ゲイン定数Ｋを用いて、電動モータ１２の出力トルクが正方向の第３目標トルクに制御される際のオーバーシュートを低減する補正処理を行うようになっている。この補正処理によって、正方向の第３目標トルクが大きくなるほど、電動モータ１２の出力トルクのオーバーシュートを低減する度合いが大きく設定される。

第２補正手段４５は、微分手段４６、乗算手段４７、減算手段４８を備えており、これらによって、正の変化量に基づき、予め設定された補正用ゲイン定数Ｋを用いて、電動モータ１２の出力トルクが負方向の第３目標トルクに制御される際のオーバーシュートを低減する補正処理を行うようになっている。この補正処理によって、負方向の第３目標トルクの絶対値が大きくなるほど、電動モータ１２の出力トルクのオーバーシュートを低減する度合いが大きく設定される。

このように構成された第１実施形態に係る旋回制御装置２０の動作を、（１）平地上でフロント作業装置４を無風の空中に浮かせて旋回体３を旋回させる場合、（２）油圧ショベル１に押付作業を行わせる場合、（３）旋回の逆行を防止する場合、の３つの場合に分けて説明する。

（１）平地上でフロント作業装置４を無風の空中に浮かせて旋回体３を旋回させる場合について、旋回体３を左旋回させることを例に挙げて説明する。

オペレータが旋回操作装置１５の操作レバー１６を中立位置から左方向に操作し、操作量をＳ２以上の任意の正の操作量に維持する。これに伴って旋回制御装置２０が旋回指令信号を出力する。この旋回指令信号をコントローラ３０が入力すると、このコントローラ３０の目標回転速度算出手段３１は、旋回指令信号に基づき正方向の目標回転速度を算出する。次に、コントローラ３０の速度偏差算出手段３２は、回転速度センサ８１からの回転速度信号に示される旋回開始当初の実際の回転速度ω、すなわち０の、正方向の目標回転速度に対する速度偏差を算出し、これによって正方向の目標回転速度と同じ大きさの速度偏差を得る。次に、コントローラ３０の第１目標トルク算出手段３３は、その速度偏差が解消される方向の第１目標トルク、すなわち左方向の旋回速度を加速させるための第１目標トルクとして、例えば最大値Ｔｍａｘを算出する。

また、コントローラ３０の第２目標トルク算出手段３４は、旋回指令信号に基づき第２目標トルクを算出し、これによって目標回転速度と同方向、すなわち正方向の第２目標トルクを得る。

操作レバー１６が左方向に操作された直後は、停止した状態の旋回体３およびフロント作業装置４の慣性力、静止摩擦力などに起因した抵抗力が電動モータ１２に作用している。このため、コントローラ３０の第１変化量算出手段５０および第２変化量算出手段６０はいずれも、電動モータ１２の所定時間ｔ内での回転角度の変化量として０を算出する。これに伴い、コントローラ３０の第３目標トルク算出手段４０は、第１逆行防止特性４０ａを用い第３目標トルクとして０を算出し、これと並行して第２逆行防止特性４０ｂを用い第３目標トルクとして０を算出する。

コントローラ３０の目標トルク制限手段７０において、左旋回用目標トルク選択手段７１は第３目標トルクが０なので、正方向の第２目標トルクを選択する。また、右旋回用目標トルク選択手段７２は第２，第３目標トルクのいずれも０なので、０を選択する。このように選択された正方向の第２目標トルクと０とのうち、制限値決定手段７３は、第１目標トルクと同じ正方向の目標トルクである正方向の第２目標トルクを選択する。つまり、正方向の第１目標トルクの上限値が、正方向の第２目標トルクに設定される。コントローラ３０は、正方向の第１目標トルクが最大値Ｔｍａｘであり正方向の第２目標トルクよりも大きいので、電動モータ１２の出力トルクが第２目標トルクとなるようインバータ８０を制御する。

今回は、平地上でフロント作業装置４を無風の空中に浮かせて旋回体３を旋回させるので、押圧作業時における溝の内側面からの反力、傾斜地での重力成分、風力などの外力はフロント作業装置４に作用しない。したがって、前述のように電動モータ１２の出力トルクが正方向の第１目標トルクまたは正方向の第２目標トルクに制御されたことによって、電動モータ１２が正方向に回転し始め、すなわち旋回体３が左方向に旋回し始め、目標回転速度に対する実際の回転速度ωの速度偏差は小さくなる。これに伴い、正方向の第１目標トルクも小さくなる。

その後の旋回体３が左旋回中、操作レバー１６が左方向に操作されている限り、第２目標トルク算出手段３４は、正方向の第２目標トルクを算出し続ける。

また、旋回体３が左旋回中、第１変化量算出手段５０は加え合わせ手段５２および遅延手段５１によって、電動モータ１２の所定時間ｔ内での回転角度の変化量として正の変化量を算出し、次に、選択手段５３によってその正の変化量が上限値Ｃ１以下であれば、その正の変化量を第３目標トルクの算出に使用する値として選択し、その正の変化量が上限値Ｃ１を超えていれば、この上限値Ｃ１を第３目標トルクの算出に使用する値として選択する。そして、第３目標トルク算出手段４０は、選択手段５３により選択された値に基づき第１逆行防止特性４０ａを用いて第３目標トルクを算出する。今回の変化量は正の値であるので、第１逆行防止特性４０ａを用いて算出された第３目標トルクは０である。

一方、第２変化量算出手段６０においては第１変化量算出手段５０と同じく、加え合わせ手段６２および遅延手段６１によって正の変化量が算出される。この変化量は下限値Ｃ２よりも大きな正の値である。したがって、第２変化量算出手段６０は選択手段６３によって、下限値Ｃ２とその正の変化量のうちその正の変化量を第３目標トルクの算出に使用する値として選択する。そして、第３目標トルク算出手段４０は、選択手段６３により選択された値に基づき第２逆行防止特性４０ｂを用いて、負方向の第３目標トルクを算出する。

目標トルク制限手段７０の左旋回用目標トルク選択手段７１は、第３目標トルクが０なので、正方向の第２目標トルクを選択する。また、右旋回用目標トルク選択手段７２は第２目標トルクが０なので、負方向の第３目標トルクを選択する。これら正方向の第２目標トルクと負方向の第３目標トルクとのうち、制限値決定手段７３は第１目標トルクと同じ方向の目標トルクである正方向の第２目標トルクを選択する。これによりコントローラ３０は引き続き、正方向の第１目標トルクが正方向の第２目標トルクよりも大きい場合に、電動モータ１２の出力トルクを正方向の第２目標トルクになるようインバータ８０を制御する。なお、オペレータは、電動モータ１２が正方向の第２目標トルクに制御されている状態において旋回体３の加速が足りないと感じた場合には、操作レバー１６の左方向への操作量を大きくすることによって第２目標トルクが大きくすることができ、これにより、旋回体３の加速度を大きくすることができる。

電動モータ１２の出力トルクが正方向の第２目標トルクに制御されることによって、電動モータ１２の回転速度ωが上昇し、すなわち旋回体３の左方向の旋回速度が上昇し、これに伴い、目標回転速度に対する実際の回転速度ωの速度偏差はさらに小さくなる。したがって、正方向の第１目標トルクもさらに小さくなる。そして、正方向の第１目標トルクが正方向の第２目標トルク以下になると、コントローラ２０は電動モータ１２の出力トルクが第１目標トルクとなるようインバータ８０を制御する。

（２）油圧ショベル１に押付作業を行わせる場合について、旋回体３を左旋回させることを例に挙げて説明する。

この場合も「（１）」と同様に、操作レバー１６が任意の正の操作量となった当初は、コントローラ３０は電動モータ１２の出力トルクを正方向の第２目標トルクに制御する。今回は押付作業を行うので、バケット４ｃを左方向に押し付けた溝の内側面からフロント作業装置４のバケット４ｃに対して反力が作用し、これによって旋回が停滞する、すなわち電動モータ１２の実際の回転速度ωは目標回転速度に近づかない。このため、正方向の第１目標トルクは最大値Ｔｍａｘに維持される。一方、操作レバー１６の左方向の操作量が維持されていた場合には、正方向の第２目標トルクは変化しない。また、電動モータ１２の回転角度の所定時間ｔ内での変化量も変化しないため、第１逆行防止特性４０ａを用いて算出される第３目標トルクは０であり、第２逆行防止特性４０ｂを用いて算出される第３目標トルクも０である。したがって、コントローラ２０は電動モータ１２の出力トルクが第２目標トルクになるようインバータ８０を制御し、これによりバケット４ｃは溝の内側面に押し付けられ続ける。

バケット４ｃが溝の内側面に押し付けられた状態では、オペレータが操作レバー１６を左方向にさらに操作して正の操作量を大きくした場合も旋回は停滞したままであり、したがって、電動モータ１２の出力トルクは引き続き第２目標トルクに制御される。第２目標トルクは正の操作量が大きくなれば大きくなり、逆に、正の操作量が小さくなれば小さくなるので、押付作業時、オペレータは、操作レバー１６の中立位置からの操作量を増減させることによって、溝の内側面に対するバケット４ｃの押付力を調節することができる。

（３）旋回の逆行を防止する場合について、旋回体３を左旋回に対する逆行を防止することを例に挙げて説明する。

第１，第２目標トルクは、「（１）」で説明したように、操作レバー１６の左方向の操作量（正の操作量）に応じて算出される。そして、電動モータ１２の出力トルクは、正方向の第１目標トルクが正方向の第２目標トルク以下になるまでは、正方向の第２目標トルクに制御される。

傾斜地に停止させた油圧ショベル１の旋回体３を傾斜地の上り側に旋回させる場合には、フロント作業装置４の重力成分が旋回に抗する外力として作用する。また、強風下で風上に向かって旋回体３を旋回させる場合には風力が旋回体に抗する外力として作用する。したがって、それらの外力に対して正方向の第２目標トルクが小さすぎると、操作レバー１６が左方向に操作されているにもかかわらず旋回体３は右方向に旋回する、すなわち右方向に逆行し、電動モータ１２も旋回体３とともに負方向に逆行する。

逆行発生時、第１変化量算出手段５０は加え合わせ手段５２および遅延手段５１によって、電動モータ１２の回転角度の所定時間ｔ内での変化量として負の変化量を算出する。この負の変化量は上限値Ｃ１よりも小さい。したがって、第１変化量算出手段５０は選択手段５３によって、その負の変化量と上限値Ｃ１とのうちその負の変化量を第３目標トルクの算出に使用する値として選択する。そして、第３目標トルク算出手段４０は、選択手段５３により選択された値に基づき、第１逆行防止特性４０ａを用いて第３目標トルクを算出し、これにより正方向の第３目標トルクを得る。

また、第３目標トルク算出手段４０は、第１補正手段４１により、第１逆行防止特性４０ａを用いて算出された正方向の第３目標トルクに基づき、電動モータ１２の出力トルクのオーバーシュートの度合いを設定する。

正方向の第２目標トルクが逆行防止に対して小さすぎるほど、電動モータ１２の回転角度の所定時間ｔ内での負の変化量は大きくなり、これに伴い正方向の第３目標トルクも大きくなって、正方向の第２目標トルクを上回る。これにより、左旋回用目標トルク選択手段７１は正方向の第２，第３目標トルクのうち大きい方である正方向の第３目標トルクを選択し、制限値決定手段７３はその正方向の第３目標トルクを第１目標トルクの上限値に決定する。この結果、電動モータ１２の出力トルクは正方向の第３目標トルクに制御され、旋回体３が逆行から復帰する。

なお、電動モータ１２の回転角度の所定時間ｔ内での負の変化量が旋回角度１°に相当する値Ｓ３となったときには、正方向の第３目標トルクが最大値Ｔｍａｘとなるため、すなわち、逆行する旋回角度が１°よりも小さいうちに旋回体３は逆行から復帰する。これにより、逆行による不快感および操作性の悪化をオペレータが感じるまもなく、旋回体３を逆行から復帰させることができる。

旋回体３を右旋回させる場合の旋回制御装置２０の動作は、左旋回させる場合とは第１〜第３目標トルクの方向が反対方向（負方向）になる違いはあるが、これ以外は左旋回させる場合と同様の操作なので、その動作の説明は省略した。

第１実施形態に係る旋回制御装置２０によれば次の効果を得られる。

第１実施形態に係る旋回制御装置２０において、目標トルク制限手段７０は第１目標トルクをこの第１目標トルクと同方向の第２，第３目標トルクのうち絶対値が大きい方に制限する。これにより、フィードバック制御に起因して第１目標トルクの絶対値が過剰な大きさに算出された場合に、電動モータ１２の出力トルクを第２目標トルクまたは第３目標トルクに制限することができる。特に、押付作業時には電動モータ１２の出力トルクが第２目標トルクに制御されるので、オペレータは旋回制御装置２０の操作レバー１６の操作量に応じて電動モータ１２の出力トルクを調節することができる。また、第２目標トルクが逆行防止に不十分な場合には、第２目標トルクよりも絶対値が大きな第３目標トルクを第１目標トルクの制限値にすることができるので、逆行を自動的に防止することができる。

第１実施形態に係る旋回制御装置２０において、第１算出範囲の略全体は一方向の変化量、すなわち負の変化量の算出範囲を規定し、その略全体を除いた残りの算出範囲は他方向の変化量、すなわち正の変化量の算出範囲を規定する。これとは逆に第２算出範囲の略全体は正の変化量の算出範囲を規定し、その略全体を除いた残りの算出範囲は負の変化量の算出範囲を規定する。つまり、第１，第２算出範囲は略全体が規定する算出範囲とは正負の値が逆になる算出範囲を僅かに含む。これら正負の値が逆になる算出範囲内での変化量に基づき算出された第３目標トルクを用いることによって、確実に逆行を防止することができる。

第１実施形態に係る旋回制御装置２０において、第３目標トルク算出手段４０は、第１変化量算出手段５０により算出された回転角度の変化量、および、第２変化量算出手段６０により算出された回転角度の変化量に基づき、回転角度が所定時間ｔ前の回転角度に戻る方向の第３目標トルクを算出し、電動モータ１２の出力トルクをその第３目標トルクに制御する。これにより、旋回体３の逆行の自動的な防止を、旋回体３の旋回角度に追従して行うことができる。

なお、前述の第１実施形態に係る旋回制御装置２０において、第１変化量算出手段５０および第２変化量算出手段６０は、本発明は第１変化量算出手段および第２変化量算出手段を、回転速度センサ８１の回転速度の検出値に基づいて所定時間ｔ内での回転角度の変化量を算出するものであったが本発明はそれに限定されるものではない。第１変化量算出手段および第２変化量算出手段それぞれは、電動モータ１２の回転角度を検出する回転角度検出手段と、この回転角度検出手段により検出された最新の回転角度から所定時間ｔ前の前回の回転角度を減算する減算手段とを用いることによって、電動モータ１２の回転角度の所定時間ｔ内での変化量を得る構成に替えてもよい。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る作業機械の旋回制御装置について図７，図８を用いて説明する。

図７に示すように、第２実施形態に係る旋回制御装置１２０は、電動モータ１２の回転角度を検出する回転角度センサ１８２と、回転角度センサ１８２により検出された回転角度に基づき旋回体３の旋回角度Θを算出する旋回角度算出手段１５０とを備えている。旋回角度算出手段１５０は、図１に示すように、フロント作業装置４が走行体２の前進方向を向いた状態（図１参照）を旋回角度０°と算出し、その０から左方向の１８０°未満の所定の限界角度までの旋回角度を正の値で算出し、０°からの右方向の１８０°未満の所定の限界角度までの旋回角度を負の値で算出する。また、この旋回角度算出手段１５０は、コントローラ１３０に記憶された制御プログラムおよびデータにより設定されたものである。なお、回転角度センサ１８２と旋回角度算出手段１５０は、旋回体３の実際の旋回角度を検出する旋回角度検出手段を構成している。

コントローラ１３０、回転速度センサ８１、回転角度センサ１８２は、旋回操作装置１５からの旋回指令信号に基づき電動モータ１２の目標トルクを算出し、この目標トルクに基づき電動モータ１２の出力トルクを制御する制御手段を構成している。

旋回制御装置１２０はさらに、旋回角度センサ１８２により検出された旋回角度の登録を指令する登録指令手段１５１と、この登録指令手段１５１により指令された旋回角度を登録旋回角度Θｒｅｆとして記憶する旋回角度登録手段１５２とを備えている。登録指令手段１５１は、オペレータが運転席に座った状態で操作可能な個所、例えば操作レバー１６の突端部に設けられた自己復帰型のプッシュスイッチである。旋回角度登録手段１５２は、旋回角度算出手段１５０により算出された旋回角度を、登録指令手段１５１が押圧操作されたときに登録旋回角度Θｒｅｆとして記憶し、また、登録指令手段１５１が再度押圧操作されたときに登録旋回角度Θｒｅｆを消去するものである。この旋回角度登録手段１５２はコントローラ１３０に記憶された制御プログラムおよびデータにより設定されたものである。

コントローラ１３０はさらに、登録旋回角度Θｒｅｆに対する実際の旋回角度Θの角度偏差を算出する角度偏差算出手段１５３と、その角度偏差に基づき、旋回体３を登録旋回角度Θｒｅｆに戻す方向の第３目標トルクを算出する第３目標トルク算出手段１４０とを備えている。角度偏差Θは旋回体３が右回りで登録旋回角度Θｒｅｆを超えた場合に正の値をとり、左回りで登録旋回角度Θｒｅｆを超えた場合に負の値をとる。

第３目標トルク算出手段１４０は、第３目標トルクを算出する際、予め設定された第１逆行防止特性（図示していない）および第２逆行防止特性（図示していない）を用いる。これら第１逆行防止特性および第２逆行防止特性は、角度偏差と第３目標トルクとの対応関係を規定したものである。次に、それら第１逆行防止特性、第２逆行防止特性により規定された対応関係について具体的に説明する。

第１逆行防止特性は、図５（ａ）に示す変化量を角度偏差に置き換えた特性に設定されている。角度偏差が０、または正の角度偏差である場合に第３目標トルクは０となる。負の角度偏差に対し、第３目標トルクの方向は正方向となる。この正方向の第３目標トルクの最大値は、電動モータ１２の出力トルクの最大値Ｔｍａｘに規定されている。０からその最大値Ｔｍａｘまでの範囲での第３目標トルクの特性は、負の角度偏差の絶対値が大きくなるほど正方向の第３目標トルクが大きくなり、負の角度偏差が所定角度偏差のときに正方向の第３目標トルクが最大値Ｔｍａｘとなるよう、一次関数により規定されている。所定の負の角度偏差は、この所定の負の角度偏差を生じさせる左方向の旋回角度の変化をオペレータに感じさせない小ささであることを意図して設定されたものであり、例えば左方向の旋回角度１°に相当するよう設定されている。

第２逆行防止特性は、図５（ｂ）に示す変化量を角度偏差に置き換えた特性に設定されている。つまり、角度偏差が０、または負の角度偏差である場合に第３目標トルクは０となる。正の角度偏差に対し、第３目標トルクの方向は負方向となる。この負方向の第３目標トルクの最小値は−Ｔｍａｘに規定されている。０からその最小値−Ｔｍａｘまでの範囲での第３目標トルクの特性は、正の角度偏差が大きくなるほど負方向の第３目標トルクの絶対値が大きくなり、正の角度偏差が所定角度偏差のときに負方向の第３目標トルクの絶対値が最小値−Ｔｍａｘとなるよう、一次関数により規定されている。所定の正の角度偏差は、この所定の正の角度偏差を生じさせる右方向の旋回角度の変化をオペレータに感じさせない小ささであることを意図して設定されたものであり、例えば左方向の旋回角度１°に相当するよう設定されている。

また、図８に示すように、第３目標トルク算出手段１４０は、電動モータ１２の出力トルクが第３目標トルクに制御される場合に、速度偏差に応じて、電動モータ１２の出力トルクのオーバーシュートを低減するための補正を行う第１補正手段１４１および第２補正手段１４５を備えている。

第１補正手段１４１は、第１実施形態における第１補正手段４１と同様のものであり、負の角度偏差に基づき、予め設定された補正用ゲイン定数Ｋを用いて、電動モータ１２の出力トルクが正方向の第３目標トルクに制御される際のオーバーシュートを低減する補正処理を行うようになっている。この補正処理によって、正方向の第３目標トルクが大きくなるほど、電動モータ１２の出力トルクのオーバーシュートを低減する度合いが大きく設定される。

第２補正手段１４５も、第１実施形態における第２補正手段４５と同様のものであり、正の角度偏差に基づき、予め設定された補正用ゲイン定数Ｋを用いて、電動モータ１２の出力トルクが負方向の第３目標トルクに制御される際のオーバーシュートを低減する補正処理を行うようになっている。この補正処理によって、負方向の第３目標トルクの絶対値が大きくなるほど、電動モータ１２の出力トルクのオーバーシュートを低減する度合いが大きく設定される。

なお、図７を参照して分かるように、第２実施形態に係る旋回制御装置１２０のコントローラ１３０は、第１実施形態に係る旋回制御装置２０のコントローラ３０と同じく、第１目標トルク算出手段３３、第２目標トルク算出手段３４等の、第１目標トルク、第２目標トルクを算出するための構成を備えているが、第１変化量算出手段５０、第２変化量算出手段６０、選択手段５３，６３、第３目標トルク算出手段４０を備えていない。

このように構成された第２実施形態に係る旋回制御装置１２０の動作を、（１）平地上でフロント作業装置４を無風の空中に浮かせて旋回体３を旋回させる場合、（２）油圧ショベル１に押付作業を行わせる場合、（３）旋回の逆行を防止する場合、の３つの場合に分けて説明する。

例えば、既に登録旋回角度が−９０°に設定されており、その登録旋回角度−９０°で旋回体３が停止しているとする。

この状態でオペレータが旋回操作装置１５の操作レバー１６を中立位置から左方向に操作し、操作量をＳ２以上の任意の正の操作量に維持する。これに伴って旋回操作装置１５が旋回指令信号を出力する。この旋回指令信号をコントローラ１３０が入力すると、このコントローラ１３０の目標回転速度算出手段３１は、旋回指令信号に基づき正方向の目標回転速度を算出する。次に、コントローラ１３０の速度偏差算出手段３２は、回転速度センサ８１からの回転速度信号に示される旋回開始当初の実際の回転速度ω、すなわち０の、正方向の目標回転速度に対する速度偏差を算出し、これによって正方向の目標回転速度と同じ大きさの速度偏差を得る。次に、コントローラ１３０の第１目標トルク算出手段３３は、その速度偏差が解消される方向の第１目標トルク、すなわち左方向の旋回速度を加速させるための第１目標トルクをとして最大値Ｔｍａｘを算出する。

また、コントローラ１３０の第２目標トルク算出手段３４は、旋回指令信号に基づき第２目標トルクを算出し、これによって目標回転速度と同方向、すなわち正方向の第２目標トルクを得る。

操作レバー１６が左方向に操作された直後は、停止した状態の旋回体３およびフロント作業装置４の慣性力、静止摩擦力などに起因した抵抗力が電動モータ１２に作用している。このため、旋回角度算出手段１５０により算出された実際の旋回角度Θは、登録旋回角度９０°のままであり、したがって角度偏差算出手段１５３は角度偏差として０を算出する。これに伴い、コントローラ１３０の第３目標トルク算出手段１４０は、第１逆行防止特性を用い第３目標トルクとして０を算出し、これと並行して第２逆行防止特性を用い第３目標トルクとして０を算出する。

コントローラ１３０の目標トルク制限手段７０において、左旋回用目標トルク選択手段７１は第３目標トルクが０なので、正方向の第２目標トルクを選択する。また、右旋回用目標トルク選択手段７２は第２，第３目標トルクのいずれも０なので、０を選択する。このようにして選択された正方向の第２目標トルクと０とのうち、制限値決定手段７３は、第１目標トルクと同じ正方向の目標トルクである正方向の第２目標トルクを選択する。つまり、正方向の第１目標トルクの上限値が、正方向の第２目標トルクに設定される。コントローラ１３０は、正方向の第１目標トルクが最大値Ｔｍａｘであり正方向の第２目標トルクよりも大きいので、電動モータ１２の出力トルクが第２目標トルクとなるようインバータ８０を制御する。

今回は、平地上でフロント作業装置４を無風の空中に浮かせて旋回体３を旋回させるので、押圧作業時における溝の内側面からの反力、傾斜地での重力成分、風力のような外力はフロント作業装置４に作用しない。したがって、前述のように電動モータ１２の出力トルクが正方向の第２目標トルクに制御されたことによって、電動モータ１２の正方向に回転し始め、すなわち旋回体３が左方向に旋回し始め、目標回転速度に対する実際の回転速度ωの速度偏差は小さくなる。これに伴い、正方向の第１目標トルクも小さくなる。

その後の旋回体３の左旋回中、操作レバー１６が左方向に操作されている限り、第２目標トルク算出手段３４は、正方向の第２目標トルクを算出し続ける。

また、旋回体３が左旋回中、角度偏差算出手段１５３は正方向の速度偏差を算出するので、第３目標トルク算出手段１４０は、第１逆行防止特性を用いて第３目標トルクとして０を算出し、これと並行して第２逆行防止特性を用いて負方向の第３目標トルクを算出する。

目標トルク制限手段７０の左旋回用目標トルク選択手段７１は、第３目標トルクが０なので、正方向の第２目標トルクを選択する。また、右旋回用目標トルク選択手段７２は第２目標トルクが０なので、負方向の第３目標トルクを選択する。このように選択された正方向の第２目標トルクと負方向の第３目標トルクとのうち、制限値決定手段７３は第１目標トルクと同じ方向の目標トルクである正方向の第２目標トルクを選択する。これによりコントローラ１３０は引き続き、正方向の第１目標トルクが正方向の第２目標トルクよりも大きい場合に、電動モータ１２の出力トルクが第２目標トルクとなるようインバータ８０を制御する。なお、オペレータは、電動モータ１２が正方向の第２目標トルクに制御されている状態において旋回体３の加速が足りないと感じた場合には、操作レバー１６の左方向への操作量を大きくすることによって第２目標トルクが大きくすることができ、これにより、旋回体３の加速度を大きくすることができる。

電動モータ１２の出力トルクが正方向の第２目標トルクに制御されることによって、電動モータ１２の回転速度ωが上昇し、すなわち旋回体３の左方向の旋回速度が上昇し、これに伴い、目標回転速度に対する実際の回転速度ωの速度偏差はさらに小さくなる。したがって、正方向の第１目標トルクはさらに小さくなる。そして、正方向の第１目標トルクが正方向の第２目標トルク以下になると、コントローラ１２０は電動モータ１２の出力トルクが第１目標トルクとなるようインバータ８０を制御する。

この場合も「（１）」と同様に、操作レバー１６が任意の正の操作量となった当初は、コントローラ１３０は電動モータ１２の出力トルクを正方向の第２目標トルクに制御する。今回は押付作業を行うので、バケット４ｃを左方向に押し付けた溝の内側面からフロント作業装置４のバケット４ｃに対して左旋回に抗する反力が作用し、これによって旋回が停滞する、すなわち電動モータ１２の実際の回転速度ωは目標回転速度に近づかない。このため、正方向の第１目標トルクは最大値Ｔｍａｘに維持される。また、操作レバー１６の左方向の操作量が維持されていた場合、正方向の第２目標トルクは変化しない。

押付作業の際は、オペレータは旋回角度を登録を行わない。したがって、第３目標トルク算出手段１４０による第３目標トルクの算出は行われない。このため、制限値決定手段７３は、第１目標トルクと同じ正方向の目標トルクである正方向の第２目標トルクを選択し、これによって電動モータ１２の出力トルクが第２目標トルクに制御された状態で、バケット４ｃは溝の内側面に押し付けられ続ける。

第１，第２目標トルクは、「（１）」で説明したように、操作レバー１６の左方向の操作量（正の操作量）に応じて算出される。そして、正方向の第１目標トルクが正方向の第２目標トルク以下になるまでは、電動モータ１２の出力トルクは正方向の第２目標トルクに制御される。

傾斜地に停止させた油圧ショベル１の旋回体３を傾斜地の上り側に旋回させる場合には、フロント作業装置４の重力成分が旋回に抗する外力として作用する。また、強風下で風上に向かって旋回体３を旋回させる場合には風力が旋回体に抗する外力として作用する。したがって、それらの外力に対して正方向の第２目標トルクが小さすぎると、操作レバー１６が左方向に操作されているにもかかわらず旋回体３は登録旋回角度を超えて右方向に逆行し、電動モータ１２も旋回体３とともに負方向に逆行する。

逆行発生時、角度偏差算出手段１５３は負の速度偏差を算出する。第３目標トルク算出手段１４０はその負の速度偏差に基づき、第１逆行防止特性を用いて第３目標トルクを算出し、これによって正方向の第３目標トルクを得るとともに、第２逆行防止特性を用いて第３目標トルクを算出し０を得る。

また、第３目標トルク算出手段１４０は、第１補正手段１４１により、第１逆行防止特性４０ａを用いて算出された正方向の第３目標トルクに基づき、電動モータ１２の出力トルクのオーバーシュートの度合いを設定する。

正方向の第２目標トルクが逆行防止に対して小すぎるほど角度偏差は大きくなり、これに伴い正方向の第３目標トルクも大きくなって、正方向の第２目標トルクを上回る。これにより、左旋回用目標トルク選択手段７１は正方向の第２，第３目標トルクのうち大きい方である正方向の第３目標トルクを選択し、制限値決定手段７３はその正方向の第３目標トルクを第１目標トルクの上限値に決定する。この結果、電動モータ１２の出力トルクは正方向の第３目標トルクに制御され、旋回体３が逆行から復帰する。

なお、角度偏差が旋回角度１°に相当する値となったときには、正方向の第３目標トルクが最大値Ｔｍａｘとなるため、すなわち、逆行する旋回角度が１°よりも小さいうちに旋回体３は逆行から復帰する。これにより、逆行による不快感および操作性の悪化をオペレータが感じるまもなく、旋回体３を逆行から復帰させることができる。

旋回体３を右旋回させる場合の旋回制御装置１２０の動作は、左旋回させる場合に対して第１〜第３目標トルクの方向が反対方向（負方向）になる違いはあるが、これ以外は左旋回させる場合と同様の操作なので、その動作の説明は省略した。

第２実施形態に係る旋回制御装置１２０によれば次の効果を得られる。

第２実施形態に係る旋回制御装置１２０において、目標トルク制限手段７０は第１目標トルクをこの第１目標トルクと同方向の第２，第３目標トルクのうち絶対値が大きい方に制限する。これにより、フィードバック制御に起因して第１目標トルクの絶対値が過剰な大きさに算出された場合に、電動モータ１２の出力トルクを第２目標トルクまたは第３目標トルクに制限することができる。特に、押付作業時には電動モータ１２の出力トルクが第２目標トルクに制御されるので、オペレータは旋回操作装置１５の操作レバー１６の操作量に応じて電動モータ１２の出力トルクを調節することができる。また、第２目標トルクが逆行防止に不十分な場合には、第２目標トルクよりも絶対値が大きな第３目標トルクを第１目標トルクの制限値にすることができるので、逆行を自動的に防止することができる。

第２実施形態に係る旋回制御装置１２０において、第３目標トルク算出手段１４０は、登録旋回角度に対する実際の旋回角度の角度偏差に基づき第３目標トルクを算出し、電動モータ１２の出力トルクをその第３目標トルクに制御する。これにより、旋回体３の逆行の自動的な防止を、登録した任意の旋回角度（登録旋回角度）から離れる方向の逆行に対して実施できる。

また、第２実施形態に係る旋回制御装置１２０において、登録指令手段１５１は操作レバー１６の突端部に設けられたプッシュスイッチであったが、本発明は登録指令手段をそれに限定するものではない。メカニカルブレーキ１３による電動モータ１２の制動動作を検知する検知手段を設け、この検知手段を登録指令手段として、制動動作の検知を旋回角度の登録の指令としてもよい。

１油圧ショベル
３旋回体
４フロント作業装置
１０旋回装置
１２電動モータ
１５旋回操作装置
３０コントローラ
３１目標回転速度算出手段
３２速度偏差算出手段
３３第１目標トルク算出手段
３４第２目標トルク算出手段
４０第３目標トルク算出手段
５０第１変化量算出手段
６０第２変化量算出手段
７０目標トルク制限手段
８１回転速度センサ

１２０旋回制御装置
１３０コントローラ
１４０第３目標トルク算出手段
１５０旋回角度算出手段
１５１登録指令手段
１５２旋回角度登録手段
１５３角度偏差算出手段
１８２回転角度センサ

Claims

相反する２方向に回転可能な電動モータの出力トルクによって旋回体を駆動する旋回装置と、中立位置から相反する２方向への選択的な操作が可能であって、操作方向および操作量を旋回指令信号に変換する旋回操作装置と、この旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき前記電動モータの目標トルクを算出し、この目標トルクに基づき前記電動モータの出力トルクを制御する制御手段とを備えた作業機械の旋回制御装置において、
前記制御手段は、
前記電動モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき前記電動モータの目標回転速度を算出する目標回転速度算出手段と、
前記回転速度検出手段により検出された実際の回転速度の、前記目標回転速度に対する速度偏差を算出する速度偏差算出手段と、
前記速度偏差が解消される方向の第１目標トルクを算出する第１目標トルク算出手段と、
前記旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき、前記目標回転速度と同方向の第２目標トルクを算出する第２目標トルク算出手段と、
前記回転速度検出手段による回転速度の検出値に基づき、予め設定された第１算出範囲内での前記電動モータの回転角度の変化量を算出する第１変化量算出手段と、
前記回転速度検出手段による回転速度の検出値に基づき、予め設定された第２算出範囲内での前記電動モータの回転角度の変化量を算出する第２変化量算出手段と、
前記第１，第２変化量算出手段のそれぞれにより算出された変化量に基づき、前記電動モータの回転角度が前記所定時間前の回転角度に戻る方向の第３目標トルクを算出する第３目標トルク算出手段と、
前記第１目標トルクを前記第２，第３目標トルクのうち前記第１目標トルクと同方向で絶対値が大きい方の目標トルクに制限する目標トルク制限手段と、
を備えており、
前記第１算出範囲の略全体は、前記電動モータの相反する２つの回転方向のうち一方向の前記変化量の算出範囲を規定しており、その略全体を除いた残りの算出範囲は他方向の前記変化量の算出範囲を規定しており、
前記第２算出範囲の略全体は、前記他方向の前記変化量の算出範囲を規定しており、その略全体を除いた残りの算出範囲は前記一方向の前記変化量の算出範囲を規定している
ことを特徴とする作業機械の旋回制御装置。
相反する２方向に回転可能な電動モータの出力トルクによって旋回体を駆動する旋回装置と、中立位置から相反する２方向への選択的な操作が可能であって、操作方向および操作量を旋回指令信号に変換する旋回操作装置と、この旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき前記電動モータの目標トルクを算出し、この目標トルクに基づき前記電動モータの出力トルクを制御する制御手段とを備えた作業機械の旋回制御装置において、
前記制御手段は、
前記電動モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき前記電動モータの目標回転速度を算出する目標回転速度算出手段と、
前記回転速度検出手段により検出された実際の回転速度の、前記目標回転速度に対する速度偏差を算出する速度偏差算出手段と、
前記速度偏差が解消される方向の第１目標トルクを算出する第１目標トルク算出手段と、
前記旋回操作装置からの旋回指令信号に基づき、前記目標回転速度と同方向の第２目標トルクを算出する第２目標トルク算出手段と、
前記旋回体の実際の旋回角度を検出する旋回角度検出手段と、
この旋回角度検出手段により検出された旋回角度の登録を指令する登録指令手段と、
この登録指令手段により指令された旋回角度を登録旋回角度として記憶する旋回角度登録手段と、
前記旋回角度検出手段により検出された実際の旋回角度の、前記登録旋回角度に対する角度偏差を算出する角度偏差算出手段と、
前記角度偏差に基づき、前記旋回体を前記登録旋回角度に戻す方向の第３目標トルクを算出する第３目標トルク算出手段と、
前記第１目標トルクを前記第２，第３目標トルクのうち前記第１目標トルクと同方向で絶対値が大きい方の目標トルクに制限する目標トルク制限手段と、
を備えている
ことを特徴とする作業機械の旋回制御装置。