JP5512569B2 - 建設機械制御システム - Google Patents

Description

本発明は、建設機械制御システムに係り、特に、建設機械に搭載された電動モータの駆動を、オペレータが操作する操作装置から導出されるパイロット油圧で遠隔操作するシステムにおける信頼性の向上手段に関する。

従来の油圧ショベル等の建設機械は、機械各部の可動部を駆動するためのアクチュエータとして、油圧シリンダ及び油圧モータ等の油圧アクチュエータを備えると共に、油圧源である油圧ポンプの駆動源として、エンジンを備えるものが一般的であった。特許文献１には、この種の建設機械に適用される操作装置として、油圧ポンプと各油圧アクチュエータとの間に所要数のパイロット式方向制御弁を配置すると共に、これら各方向制御弁のパイロットポートに、オペレータによる操作レバーの操作量に応じたパイロット油圧を供給するパイロット弁を備え、パイロット弁から導出されるパイロット油圧を、操作された操作レバーに対応する所定の方向制御弁のパイロットポートに供給して、当該方向制御弁を切り換え、当該方向制御弁に対応する油圧アクチュエータの駆動を行うものが開示されている。

また、近年においては、例えば特許文献２に記載されているように、エンジンの燃費向上と排ガス量及び騒音レベルの減少を図れることから、機械各部の駆動アクチュエータとして、油圧アクチュエータと電動モータとを併用すると共に、油圧ポンプの駆動源として、エンジンと発電電動機とを併用したハイブリッド建設機械が提案されている。従来のハイブリッド建設機械には、油圧アクチュエータを駆動して掘削及び走行を行い、電動モータを用いて旋回体（例えば、油圧ショベルにおける上部旋回体）の旋回動作を行うものが多い。

特許文献２には、油圧アクチュエータを駆動する際にオペレータが操作する操作手段の操作感触と、電動モータを駆動する際にオペレータが操作する操作手段の操作感触を共通化し、オペレータの違和感を解消するため、油圧アクチュエータ駆動用の操作手段及び電動モータ駆動用の操作手段の双方を油圧パイロット操作弁で構成し、電動モータについては、この油圧パイロット操作弁から導出されるパイロット油圧を圧力センサで電気信号に変換して制御部に出力し、制御部から電動モータの制御信号を出力する技術が開示されている。また、この特許文献２には、かかる電動モータの制御系を採用した場合には、圧力センサ、制御部及び電動モータのいずれかに異常が発生したとき、車体の正常な旋回制御が困難になり、オペレータの意図しない速度又は方向に車体が旋回するという不都合を生じる可能性があるので、これを回避するため、油圧パイロット操作弁の操作量を検出する圧力センサを冗長化して、各圧力センサから出力される電気信号を制御部で比較することにより、異常検出時には電動モータを適正に停止させる技術も開示されている。

実公平７−４８７６１号公報 特開２００８−２４８５４５号公報

しかしながら、特許文献２に開示の技術は、圧力センサについては冗長化（２重化）しているものの、制御部については冗長化していないので、制御部自身が故障した場合には適正な電動モータの制御信号を出力できず、旋回体の旋回制御が困難になる。このほか、旋回体駆動用の電動モータや、該電動モータの駆動制御に適用されるインバータ装置が故障した場合においても同様の問題が生じる。なお、圧力センサ、制御部、インバータ装置及び電動モータの全てについても冗長化すれば、このような不都合の発生を防止できるが、その分だけ建設機械がコスト高になるので、実用上は採用することが困難である。さらに、圧力センサ、制御部、インバータ装置又は電動モータのいずれかに異常が発生したとき、直ちに旋回体駆動用の電動モータを停止させる構成にすると、作業効率が著しく低下するので、異常の内容によっては極力旋回体の駆動を継続できるようにする必要もある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、安価に実施でき、かつ圧力センサ、制御部、インバータ装置及び電動モータのいずれかが故障した場合にも電動モータの異常な回転を防止できて、作業効率の低下も抑制可能な建設機械制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、オペレータが操作する油圧アクチュエータ操作用及び電動アクチュエータ操作用の操作部材と、前記油圧アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた油圧操作信号を出力する油圧操作信号発生手段と、前記電動アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を出力する電気操作信号発生手段と、前記電気操作信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの制御信号を出力する電気制御手段と、前記制御信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの駆動信号を出力するインバータ装置とを備えた建設機械制御システムにおいて、前記電動アクチュエータ操作用の操作部材に対応させて、それぞれ複数の前記電気操作信号発生手段及び前記電気制御手段を設置し、前記複数の電気操作信号発生手段から出力される各電気操作信号を前記複数の電気制御手段のそれぞれに個別に入力すると共に、前記複数の電気制御手段の少なくとも１つで、前記各電気操作信号に基づいて算出した値及び前記各制御信号を比較し、その比較結果に基づいて、前記複数の電気操作信号発生手段及び電気制御手段についての異常発生の有無を判定することを特徴とする。

かかる構成によると、電動アクチュエータ操作用の操作部材に対応させて複数の電気操作信号発生手段及び電気制御手段を設置し、いずれか１つの電気制御手段で、各電気操作信号発生手段及び電気制御手段のいずれかに異常が発生しているか否かの判定を行うので、電気操作信号発生手段のみならず電気制御手段についても冗長化することができ、システムの信頼性を高めることができる。また、電気制御手段は、異常が発生していると判定した場合においても、発生した異常の内容に応じて、電動アクチュエータの駆動を停止するための制御信号を出力することも、電動アクチュエータの駆動を継続するための制御信号を出力することもできるので、作業の安全性を確保した上で、可能な作業性の維持を図ることができる。

また本発明は、前記構成の建設機械制御システムにおいて、前記複数の電気制御手段の１つとして、前記インバータ装置に付設されるインバータ装置制御コントローラを用いることを特徴とする。

かかる構成によると、電動アクチュエータ制御用のコントローラとしてインバータ装置制御コントローラを有効利用するので、システム全体のコントローラの数が２つである場合には、新たなコントローラの追加が無用となり、また、システム全体のコントローラの数が３つ以上である場合には、新たに追加すべきコントローラの数を１つ減少することができる。よって、高機能の建設機械制御システムを安価に実施することができる。

また本発明は、前記構成の建設機械制御システムにおいて、前記異常が発生しているか否かの判定を行う電気制御手段は、これに入力される前記電気操作信号から前記制御信号の上限値を算出すると共に、前記上限値と前記制御信号の符号が一致しているか否かの判定と、当該電気制御手段以外の電気制御手段より出力される前記制御信号と前記上限値との比較を行い、比較する両信号の符号が不一致であると判定したとき、若しくは、前記上限値よりも当該電気制御手段以外の電気制御手段から出力される前記制御信号の方が大きいと判定したときには、前記電動アクチュエータの電動動作を停止させることを特徴とする。

比較する両信号の符号が不一致である場合とは、オペレータが意図しない方向に旋回体が旋回している場合である。また、上限値よりも異常が発生しているか否かの判定を行わない電気制御手段から出力される制御信号の方が大きい場合とは、オペレータの意図する速度よりも高速で旋回体が旋回している場合である。このような状況では、作業を安全に行うことが困難になるので、電動アクチュエータの駆動を停止することにより、作業の安全を確保することができる。これに対して、比較する両信号の符号が一致しており、かつ異常が発生しているか否かの判定を行わない電気制御手段から出力される制御信号よりも上限値の方が大きい場合とは、オペレータの意図する速度又はそれよりも低速で旋回体が旋回している場合であり、この場合には、作業の安全には何ら問題がないので、電動アクチュエータの駆動を継続することによって、作業を続行することができ、作業能率の低下を防止又は抑制することができる。

また本発明は、前記構成の建設機械制御システムにおいて、前記異常が発生しているか否かの判定を行う電気制御手段は、これに入力される前記電気操作信号から前記制御信号の上限値を算出すると共に、前記各電気操作信号又は前記各制御信号の符号が一致しているか否かの判定と、当該電気制御手段以外の電気制御手段より出力される前記制御信号と前記上限値との比較を行い、比較する両信号の符号が一致していると判定し、かつ、当該電気制御手段以外の電気制御手段から出力される制御信号の方が前記上限値よりも大きいと判定したときには、前記上限値を用いて前記電動アクチュエータの駆動を継続することを特徴とする。

比較する両信号の符号が一致しており、かつ異常が発生しているか否かの判定を行わない電気制御手段から出力される制御信号の方が上限値よりも大きい場合には、旋回体が、オペレータが意図する方向に、オペレータが意図する速度よりも高速で旋回している状態である。このような状況においては、上述のように、電動アクチュエータの駆動を停止することにより作業の安全を確保することができるが、その反面、作業性は低下する。そこで、旋回体の目標速度を上限値として電動アクチュエータの駆動を継続すれば、旋回体の旋回速度を、オペレータが意図する速度若しくはそれ以下の速度とすることができるので、作業の安全を確保しつつ、作業性の向上を図ることができる。

また本発明は、前記構成の建設機械制御システムにおいて、前記異常が発生しているか否かの判定を行う電気制御手段は、これに入力される前記電気操作信号と、当該電気制御手段以外の電気制御手段に入力される前記電気操作信号の差値の算出と、当該差値と予め設定された基準値の比較とを行い、前記差値が前記基準値よりも大きいと判定したときには、前記電動アクチュエータの電動動作を停止させることを特徴とする。

差値が基準値よりも大きい状況とは、電気信号を出力するいずれか１つの電気操作信号発生手段が破損した場合であるか、制御信号を出力するいずれか１つの電気制御手段が破損した場合である。このような場合には、旋回体の安全な旋回を保証し得なくなるので、電動アクチュエータの駆動を停止することにより、作業の安全を確保することができる。

また本発明は、オペレータが操作する油圧アクチュエータ操作用及び電動アクチュエータ操作用の操作部材と、前記油圧アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた油圧操作信号を出力する油圧操作信号発生手段と、前記電動アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を出力する電気操作信号発生手段と、前記電気操作信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの制御信号を出力する電気制御手段と、前記制御信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの駆動信号を出力するインバータ装置とを備えた建設機械制御システムにおいて、前記インバータ装置は、前記電動アクチュエータの位置信号に基づいて前記電動アクチュエータの実際の駆動状態を示す状態信号を算出し、前記制御信号の符号と前記状態信号の符号が一致しているか否かの判定と、前記制御信号が前記状態信号よりも大きいか否かの判定とをさらに行って、前記制御信号の符号と前記状態信号の符号が不一致であると判定したとき、若しくは、前記状態信号の方が前記制御信号よりも大きいと判定したときには、前記電動アクチュエータの電動動作を停止させることを特徴とする。

かかる構成によると、電動アクチュエータの実際の駆動状態を示す状態信号を基準として、異常発生の有無を判定するので、電気操作信号発生手段及び電気制御手段の故障のみならず、電動アクチュエータ及びインバータ装置の故障にも対応することができ、建設機械制御システムの信頼性をより高めることができる。

また本発明は、オペレータが操作する油圧アクチュエータ操作用及び電動アクチュエータ操作用の操作部材と、前記油圧アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた油圧操作信号を出力する油圧操作信号発生手段と、前記電動アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を出力する電気操作信号発生手段と、前記電気操作信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの制御信号を出力する電気制御手段と、前記制御信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの駆動信号を出力するインバータ装置とを備えた建設機械制御システムにおいて、前記インバータ装置に、当該インバータ装置自体の状態を監視する監視手段を備え、当該監視手段は、前記電動アクチュエータの位置信号に基づいて前記電動アクチュエータの実際の駆動状態を示す状態信号を算出し、前記制御信号の符号と前記状態信号の符号が一致しているか否かの判定と、前記制御信号が前記状態信号よりも大きいか否かの判定とをさらに行い、前記制御信号の符号と前記状態信号の符号が不一致であると判定したとき、若しくは、前記状態信号の方が前記制御信号よりも大きいと判定したときには、前記電動アクチュエータの電動動作を停止させることを特徴とする。

かかる構成によると、インバータ装置に監視手段を備え、当該インバータ装置を自己監視するようにしたので、インバータ装置の故障を、容易かつ確実に検出することができる。なお、監視手段は、電動アクチュエータの制御信号を算出しないので、安価なマイクロコンピュータなどを用いることができ、建設機械制御システムを高コスト化する要因にはならない。

また本発明は、オペレータが操作する油圧アクチュエータ操作用及び電動アクチュエータ操作用の操作部材と、前記油圧アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた油圧操作信号を出力する油圧操作信号発生手段と、前記電動アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を出力する電気操作信号発生手段と、前記電気操作信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの制御信号を出力する電気制御手段と、前記制御信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの駆動信号を出力するインバータ装置とを備えた建設機械制御システムにおいて、前記電気制御手段と前記インバータ装置は、相互間で定期的に監視信号の交換を行うと共に、他方から所定時間内に監視信号を受信したか否かの判定を行い、前記インバータ装置は、前記電気制御手段から所定時間内に監視信号を受信しなかったと判定したときに、当該電動動作を停止させるか、若しくは、当該インバータ装置に入力される前記操作信号から算出した前記制御信号の上限値を用いて前記電動アクチュエータの駆動を継続し、前記電気制御手段は、前記インバータ装置から所定時間内に監視信号を受信しなかったと判定したときに、当該電動動作を停止させることを特徴とする。

かかる構成によると、電気制御手段とインバータ装置の相互間で監視信号の送受信を行い、これら電気制御手段とインバータ装置を相互に監視するようにしたので、電気制御手段及びインバータ装置の故障を、容易かつ確実に検出することができる。また、この場合には、インバータ装置を自己監視する場合とは異なり、特別な監視手段を備える必要がないので、建設機械制御システムをより容易かつ安価に実施することができる。

また本発明は、前記各構成の建設機械制御システムにおいて、前記電動アクチュエータ、前記電気操作信号発生手段、前記電気制御手段及び前記インバータ装置のいずれかに異常が発生していると判定したとき、発生した異常の内容に応じた通報をオペレータに発することを特徴とする。

かかる構成によると、オペレータは異常の発生及び発生した異常の内容をリアルタイムで知ることができるので、故障に対する対処法を早期に取ることができる。

本発明の建設機械制御システムによれば、簡単かつ安価に実施可能な構成で、電動アクチュエータ、圧力検出手段、電気制御手段及びインバータ装置のいずれにおける異常の発生を検出することができ、オペレータが意図しない異常な旋回体の旋回動作を回避することができる。

本発明に係る建設機械制御システムを備えたハイブリッドショベルの外観図である。 第１実施形態に係る建設機械制御システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る建設機械制御システムを備えたハイブリッドショベルの制御回路図である。 第２実施形態に係る建設機械制御システムの構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る建設機械制御システムを備えたハイブリッドショベルの制御回路図である。 インバータ装置の内部コントローラが実行する旋回指令信号の妥当性判定処理手順を示すフローチャートである。 直線近似式を用いて算出される旋回レバー操作量に対する旋回速度上限値と、旋回レバー操作量から算出される旋回速度指令値との関係を示すグラフ図である。 インバータ装置の内部コントローラが実行する旋回指令信号の妥当性判定処理手順の他の例を示すフローチャートである。 インバータ装置の内部コントローラが２つの油圧センサの出力信号を直接比較することにより実行する異常検出手順を示すフローチャートである。 実施形態に係る建設機械制御システムに備えられるインバータ装置の詳細ブロック図である。 インバータ装置の内部コントローラが実行する旋回速度指令に対する実旋回回転速度の妥当性判定処理手順を示すフローチャートである。 メインコントローラが実行する相互監視処理手順を示すフローチャートである。 インバータ装置の内部コントローラが実行する相互監視処理手順を示すフローチャートである。 インバータ装置の内部コントローラが実行する相互監視処理手順の他の例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る建設機械制御システムの実施形態を、図とともに説明する。なお、図においては、以下に記載する第１のコントローラ、第２のコントローラ、第３のコントローラ、第１の油圧センサ及び第２の油圧センサが、それぞれコントローラ１、コントローラ２、コントローラ３、油圧センサ１及び油圧センサ２と表記されている。

図１から明らかなように、本例の電動油圧ショベルは、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は、上部旋回体１ｄの前部に、垂直方向に回動するように支持される。ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅは、図３に示すブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回用電動モータ１６及び左右の走行用油圧モータ３ｅ、３ｆによりそれぞれ駆動される。これら各アクチュエータの駆動は、オペレータが操作信号発生装置４ａ，４ｂに備えられた操作レバー等の操作部材を操作することに行われる。

図２は、本発明の第１実施形態に係る建設機械制御システムの構成を示す図であり、この図から明らかなように、本例の建設機械制御システムは、オペレータが操作レバー等の旋回操作用の操作部材を操作したとき、その操作方向及び操作量に応じたパイロット圧を導出する旋回用操作信号発生装置（油圧操作信号発生手段）４ｂと、この旋回用操作信号発生装置４ｂから導出されるパイロット圧を検出して、それに応じた電気信号を出力する第１及び第２の油圧センサ（電気操作信号発生手段）２０，２１と、上部旋回体１ｄの旋回制御を行う第１のコントローラ（電気制御手段）１１と、旋回用電動モータ１６を駆動するインバータ装置１３と、旋回非常ブレーキ２５から構成されている。また、インバータ装置１３は、図示しない直流電圧を交流電圧に変換して旋回モータ１６を駆動するＩＧＢＴ２３と、当該ＩＧＢＴ２３のゲートのオンオフを制御する第２のコントローラ２２から構成されている。油圧センサ２０，２１は、後述のように、左旋回と右旋回を個別に検出するように２つのセンサを１組にしたものとすることもできるが、図２では簡単のため、１つの油圧センサとして記載している。なお、本実施形態においては、電気操作信号発生手段として、旋回用操作信号発生装置４ｂから導出されるパイロット圧を検出して、それに応じた電気信号を出力する第１及び第２の油圧センサ２０，２１を用いているが、かかる構成に代えて、操作レバーの操作位置を検出し、それに応じた電気信号を出力する位置センサ等を用いることもできる。

第１の油圧センサ２０から出力される電気信号は、第１のコントローラ１１に入力され、第２の油圧センサ２１から出力される電気信号は、インバータ装置１３に付設されたＩＧＢＴ制御用の第２のコントローラ２２に入力されている。第１のコントローラ１１は、第１の油圧センサ２０から出力される電気信号と、第２のコントローラ２２から受信した実際の旋回回転速度に基づいて旋回速度指令を演算し、第２のコントローラ２２にこれを送信する。第２のコントローラ２２は、この旋回速度指令を受信し、これを満足するように、旋回用電動モータ１６の回転位置を検出するモータ回転位置検出センサ２４と、図示しない３相モータ電流によりＩＧＢＴ２３のゲートオンオフを制御する。

以下、第１実施形態に係る建設機械制御システムにより実行される旋回制御について概説する。なお、本実施形態においては、第１及び第２の圧力センサ２０，２１並びに第１及び第２のコントローラ１１，２２は、同時に２つ以上の故障は発生しないことを前提とする。

まず、第２のコントローラ２２は、第２の油圧センサ２１から出力される電気信号の値を用いて、第１のコントローラ１１から受信する旋回速度指令の妥当性を判定する。これにより、第１及び第２の油圧センサ２０，２１並びに第１のコントローラ１１の異常の有無を検出することができる。また、第２のコントローラ２２は、ＩＧＢＴ２３や旋回用電動モータ１６の故障、あるいは旋回制御システム以外の異常によって起因する旋回異常を検出するために、旋回速度指令に対する実際の旋回回転速度の妥当性を判定する。なお、第２のコントローラ２２自体が故障することも考えられるが、これに対しては、第１のコントローラ１１によって第２のコントローラ２２を監視したり、第２のコントローラ２２の中で自己診断を行うことにより対処できる。これらの方策の詳細については後述する。本実施形態に係る建設機械制御システムによれば、第１のコントローラ１１及び第２のコントローラ２２のいずれかが異常を検出した場合でも、旋回非常ブレーキ２５を動作させることで、オペレータが意図しない異常な旋回を停止させることができる。

なお、本実施形態では、第１のコントローラ１１からの指令値として、旋回速度指令を用いているが、旋回トルク指令を用いることもできる。この場合、第２のコントローラ２２は、第１のコントローラ１１に実トルク値をフィードバックすることになる。

また、本実施形態では、第２のコントローラ２２が、第１のコントローラ１１から受信する旋回速度指令の妥当性を判定しているが、かかる構成に代えて、第１のコントローラ１１が第１の油圧センサ２０から出力される電気信号をそのまま第２のコントローラ２２に送信し、第２のコントローラ２２が、第１及び第２の油圧センサ２０，２１から出力される電気信号を比較することで、第１のコントローラ１１及び第１及び第２の油圧センサ２０，２１の異常の有無を検出する構成とすることもできる。

さらに、本実施形態では、１つの旋回用操作信号発生装置４ｂに２つの油圧センサ２０，２１を備えているが、例えば、油圧センサと、操作レバーの操作方向及び操作量を検出する位置センサの組み合わせなど、検出方式の異なるセンサを組み合わせて用いることもできる。これにより、システムの信頼性をより向上させることができる。

図３に、本例の建設機械制御システムの具体的な建設機械への応用例を示す。操作信号発生装置４ａ，４ｂは、これに備えられた操作レバーなどの操作部材をオペレータが操作することにより、その操作方向及び操作量に応じたパイロット圧を発生するものである。パイロット圧は、図示しないパイロットポンプで発生した１次圧を、操作信号発生装置４ａ，４ｂの操作開度に応じた２次圧に減圧することにより生成される。この操作信号発生装置４ａから導出されたパイロット圧は、スプール型の方向切換弁５ａ〜５ｆの受圧部に送られ、方向切換弁５ａ〜５ｆを図示の中立位置から切り換え操作する。方向切換弁５ａ〜５ｆは、メインの油圧ポンプ６からエンジン７を動力として発生される圧油の流れを切り換え制御し、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆの駆動を制御する。油圧配管内の圧力が過度に上昇した場合は、リリーフ弁８にて圧油をタンク９へ逃がす構造としている。油圧アクチュエータ３ａ〜３ｃは、それぞれブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃを駆動する油圧シリンダであり、油圧アクチュエータ３ｅ，３ｆは、左右の下部走行体１ｅを駆動する油圧モータである。

油圧ポンプ６とエンジン７の間には、動力変換機１０が連結されている。この動力変換機１０は、エンジン７の動力を電気エネルギに変換してインバータ装置１２、１３に電気エネルギを出力する発電機としての機能に加え、蓄電デバイス１５から供給される電気エネルギを利用して、油圧ポンプ６をアシスト駆動する電動機としての機能を有する。インバータ装置１２は、蓄電デバイス１５の電気エネルギを交流電力に変換して、動力変換機１０に供給し、油圧ポンプ６をアシスト駆動する。

インバータ装置１３は、動力変換機１０から出力される電力を旋回用電動モータ１６に供給するもので、図２に記載のインバータ装置１３に相当する。したがって、このインバータ装置１３は、図２に記載の第２のコントローラ２２を有しており、第１のコントローラ１１からの旋回操作指令信号を受信して、旋回電動機１６の駆動制御を行う。また、インバータ装置１３は、操作信号発生装置４ａ，４ｂと方向切換弁５ａ〜５ｆとをつなぐパイロット配管のうち、左右方向の旋回操作を制御するパイロット配管に接続された第２の油圧センサ２１ａ，２１ｂから入力される電気信号に基づいて、第１のコントローラ１１からの旋回操作指令信号の妥当性を判定する。

チョッパ１４は直流電力ラインＬ１の電圧を制御し、蓄電デバイス１５は当該チョッパ１４を介して、インバータ装置１２，１３に電力を供給したり、動力変換機１０が発生した電気エネルギや旋回用電動モータから回生される電気エネルギを蓄えておく。蓄電デバイスとしては、キャパシタあるいはバッテリ、又は、その両方を用いることができる。

第１のコントローラ１１は、操作信号発生装置４ａ，４ｂと方向切換弁５ａ〜５ｆとをつなぐパイロット配管のうち、左右方向の旋回操作を制御するパイロット配管に接続された第２の圧力センサ２０ａ、２０ｂから入力される電気信号に基づいて、旋回用電動モータ１６の駆動制御を行うための旋回操作指令信号をインバータ装置１３に出力する。また、旋回制動時には、旋回用電動モータ１６から電気エネルギを回収する動力回生制御も行う。さらに、この第１のコントローラ１１は、動力回生制御時や、油圧負荷が軽くて余剰の電力が発生するような時に、その回収電力や余剰電力を蓄電デバイス１５に蓄える制御も行う。

インバータ装置１２，１３、チョッパ１４、及びコントローラ１１は、通信線Ｌ２を介して、制御に必要な信号のやり取りをする。

次に、図４を用いて、本発明の第２実施形態に係る建設機械制御システムについて説明する。本例の建設機械制御システムは、第１実施形態に係る建設機械制御システムに、第３のコントローラ３５を付加したことを特徴としている。第２の油圧センサ２１から出力される電気信号は、第３のコントローラ３５に入力され、この第３のコントローラ３５は、第２の油圧センサ２１の値を加工することなく、そのままインバータ装置１３に備えられた第２のコントローラ２２に出力する。インバータ装置１３に備えられた第２のコントローラ２２は、このようにして受信した第２の油圧センサ２１の出力信号を用いて、第１のコントローラ１１からの旋回操作指令信号の妥当性を判定する。

図５に、本例の建設機械制御システムの具体的な建設機械への応用例を示す。本実施形態では、図３に示した電動油圧ショベルに特有の制御を行う第１のコントローラ１１に加えて、第３のコントローラ３５を設けており、これに、操作信号発生装置４ａ，４ｂと方向切換弁５ａ〜５ｆとをつなぐパイロット配管のうち、左右方向の旋回操作を制御するパイロット配管に接続された油圧センサ２１ａ、２１ｂから出力される電気信号を入力している。第３のコントローラ３５としては、例えば、エンジンコントローラや、車体全体の制御を行うマシンコントローラなどを用いれば良い。インバータ装置１２、１３、チョッパ１４、及びコントローラ１１、３５は、通信線Ｌ２を介して、制御に必要な信号のやり取りをする。

次に、図６〜図９を用いて、第１及び第２の実施形態に係る建設機械制御システムが実行する旋回指令信号の妥当性判定処理について詳述する。

図６は、旋回指令信号の妥当性判定処理の第１例を示すフローチャートであり、まず、処理Ｓ１０において、第２の油圧センサ２１から直接、あるいは第３のコントローラ３５から受信した第２の油圧センサ２の出力信号を用いて、旋回速度上限値Ｖｍａｘを演算する。また、処理Ｓ１１において、第１のコントローラ１１から旋回速度指令値Ｖｔａｒを受信する。次に、判定処理Ｓ１２で、これらの２つの値の符号が等しいこと、即ち、冗長化した油圧センサの値をもとに各々のコントローラが演算した旋回の方向が一致するか否かを判定する。ここで、ｓｇｎ（ａ）は値ａの符号を意味する。一致していると判定した場合は、判定処理Ｓ１３に進み、旋回速度指令値Ｖｔａｒが旋回速度上限値Ｖｍａｘに収まっているかを判定する。

旋回速度上限値Ｖｍａｘは、上述のように、第２の油圧センサ２の出力信号から算出できるが、第２のコントローラ２２の演算負荷を軽減するため、第１のコントローラ１１で算出する旋回レバー操作量に対する旋回速度指令のプロファイルに基づき、図７の点線に示すような演算の容易な直線近似式を予めプログラムしておくこともできる。これにより、コントローラ２の演算負荷を減らすことができる。もちろん、演算リソースに余裕があれば、上記プロファイルのマップを備えておいたり、第１のコントローラ１１と同一の旋回制御ロジックを実行することで、旋回速度指令値を直接比較することもできる。

図６の判定処理Ｓ１３に戻り、ここでＶｍａｘ＞Ｖｔａｒと判定した場合は、第１及び第２の油圧センサ２１，２２も、第１のコントローラ１１も正常であると判断できるので、処理Ｓ１４で最終的な旋回速度目標値Ｖ＊にＶｔａｒを代入して、旋回指令信号の妥当性判定処理を終了する。判定処理Ｓ１２、Ｓ１３のいずれかで所定の条件が満たされない場合は、第１及び第２の油圧センサ２１，２２、或いは第１のコントローラ１１のいずれかに異常があると判断できるので、処理Ｓ１５でゼロ速度指令により制御的に旋回を停止させた後、処理Ｓ１６で旋回非常ブレーキを作動する。なお、図示は省略しているが、異常検出時にはオペレータにその旨通報し、機器の点検、修理を促すこともできる。

図８は、旋回指令信号の妥当性判定処理の他の例を示すフローチャートである。本例においては、判定処理Ｓ１３においてＶｍａｘ＞Ｖｔａｒが満たされない場合に、第１及び第２の油圧センサ２１，２２、或いは第１のコントローラ１１のいずれかに異常があると判断できるので、オペレータに異常通報はするが、処理Ｓ１７で最終的な旋回速度目標値Ｖ＊にＶｍａｘを代入することで、旋回動作を継続させる。このようにすると、異常発生時でも旋回を停止させないので、建設機械の可用性を向上できる。なお、第２の油圧センサ２１の故障により、このセンサ２１が過小側に不正な値を出力した場合は、旋回性能は低下するものの、オペレータの意図しない速度超過という危険側の事象には至らない。

図６及び図８における判定処理Ｓ１３では、Ｖｍａｘ＞Ｖｔａｒを満たしていても、第２の油圧センサ２１に過大側に不正な値を出力する故障が生じている可能性もある。この故障を潜在化させずに検出するためには、ＶｍａｘとＶｔａｒの差が予め定めた閾値以上になったとき、異常と判定してオペレータに通報することで、機器の点検、修理を促すという構成にすることもできる。

図９は、旋回指令信号の妥当性判定処理のさらに他の例を示すフローチャートである。本例においては、第２のコントローラ２２が、第１及び第２の油圧センサ２０，２１から出力される電気信号を直接比較することで異常検出を行っている。まず、処理Ｓ２５で、油圧センサ２から出力される電気信号を読み込み、処理Ｓ２６で、第１のコントローラ１１から、第１の油圧センサ２０から出力される電気信号と、これに基づいて算出された旋回速度指令値Ｖｔａｒを受信する。次の判定処理Ｓ２７において、油圧センサ２０と油圧センサ２１の各出力信号を比較し、両者の差が予め定めた所定値δよりも小さければ、処理Ｓ１４で最終的な旋回速度目標値Ｖ＊にＶｔａｒを代入して終了する。逆に、両者の差がδ以上の場合は、処理Ｓ１５でゼロ速度指令により制御的に旋回を停止させた後、処理Ｓ１６で旋回非常ブレーキを作動する。

次に、図１０及び図１１を用いて、上述した第１及び第２の実施形態に係る建設機械制御システムにより、ＩＧＢＴ２３や旋回用電動モータ１６の故障、あるいは旋回制御システム以外の異常によって起因する旋回異常を検出するための、旋回速度指令に対する実旋回回転速度の妥当性判定処理について説明する。

図１０はインバータ装置１３の詳細ブロック図である。この図に示すように、第２のコントローラ２２は、メインマイコン３１、監視マイコン３２、及び各々のマイコンにつき通信線Ｌ２とのインタフェースとなる通信ドライバ回路３３ａ，３３ｂから構成される。メインマイコン３１は、通信線Ｌ２経由で第１のコントローラ１１から受信した旋回速度指令を満たすように、旋回用電動モータ１６の回転位置を検出するモータ回転位置検出センサ２４の上方と３相モータ電流センサ３０の情報を用いて、ＩＧＢＴ２３のゲート制御信号を出力する。なお、図示していないが、ＩＧＢＴ２３には、ゲートを駆動するゲートドライバ回路が含まれている。

メインマイコン３１は、通常のモータフィードバック制御とともに、異常検出のために図１１に示す出力妥当性判定処理を実行する。まず、処理Ｓ１８において、モータ回転位置検出センサ２４の出力信号値を用いて、実際に出力されている旋回回転速度Ｖを算出する。次に、判定処理Ｓ１９で、この旋回回転速度Ｖが前述の最終的な旋回速度目標値Ｖ＊よりも小さいこと、即ち、異常な回転速度超過が発生していないか否かを判定し、さらに、これら２つの値の符号が一致すること、即ち、オペレータの意図とは逆の回転が発生していないか否かを判定する。判定条件を満たさない場合は、ＩＧＢＴ２３や旋回用電動モータ１６の故障、あるいは旋回制御システム以外の異常と判断できるが、これらの異常が発生した場合は、ゼロ速度指令を出して制御的にブレーキをかけることができない可能性が高いため、処理Ｓ２０においてＩＧＢＴ２３のゲートオフ信号を出力して、旋回用電動モータ１６をフリーラン状態にした後、処理Ｓ１６で旋回非常ブレーキを作動する。この場合にも、異常検出時にオペレータにその旨を通報し、機器の点検、修理を促すことができる。なお、本実施例では、旋回速度指令と実回転速度の比較により出力の妥当性判定を行っているが、これ以外の実施形態として、旋回トルク指令、あるいは旋回速度指令から演算したトルク目標値と、モータ電流より算出した実トルクを比較してもよい。

図１０に戻って、第２のコントローラ２２は、メインマイコン３１の異常を検出する自己診断機能として監視マイコン３２を備える。監視マイコン３２は、メインマイコン３１と同様に、通信線Ｌ２から旋回速度指令を受信し、モータ回転位置検出センサ２４と３相モータ電流センサ３０からの信号を入力している。これらを用いて図１１に示した出力妥当性判定処理を実行し、異常検出時には、監視マイコン３２からもＩＧＢＴゲートオフ信号と旋回非常ブレーキ停止信号を出力する。これにより、例えば、メインマイコン３１が暴走して不正なモータ制御を行った場合でも、旋回動作を停止させることができる。監視マイコン３２は、モータ制御を行わないので、メインマイコン３１のような高い演算性能は必要なく、安価なマイコンを使用することができる。よって、本例の建設機械制御システムについても、トータルでは安価に実施することができる。

監視マイコン３２は以上の処理に加えて、適当な問題をメインマイコン３１に出題し、その解答結果に基づいてメインマイコン３１の診断を行う例題演算方式などを組み合わせて、メインマイコン３１の状態を監視するようにしても良い。また、図１０では、監視マイコン３２にも通信機能を設けることで、第１のコントローラ１１から直接旋回速度指令を受信しているが、これをメインマイコン３１経由で受信するようにすれば、監視マイコン３２に通信機能が不要になり、より低コストにシステムを構成できる。このように構成する場合は、メインマイコン３１に異常が発生したときに、監視マイコン３２が誤った指令値を受信し、メインマイコン３１の異常を検出できないことを防止するために、第１のコントローラ１１は、予め指令値にチェックコードや通番を付加して送信するようにすることもできる。メインマイコン３１は、これらを加工せずにそのまま監視マイコン３２に送信することで、監視マイコン３２は、メインマイコン３１の異常により指令値が改ざんされていないかを判定することができる。

コントローラ１１，２２の異常検出は、ここまで述べてきた実施形態以外に、第１のコントローラ１１と第２のコントローラ２２の間で、相互監視を行うことによっても実現できる。

図１２は、コントローラ１１，２２間の相互監視処理の第１例を示すフローチャートである。本例においては、第１のコントローラ１１と第２のコントローラ２２とは、通信線Ｌ２を介して指令値とそのフィードバック値を送受信しているが、第１のコントローラ１１は、判定処理Ｓ２１において、第２のコントローラ２２からの受信データが予め定めた時間内に更新されているかを判定する。更新がなされていない場合は、第２のコントローラ２２又は通信線Ｌ２のいずれかで異常が発生したと判断することができ、いずれの異常でも指令通りに旋回を継続することができないため、処理Ｓ１６で旋回非常ブレーキを作動する。この場合にも、異常検出時にはオペレータにその旨通報し、機器の点検、修理を促すことは前述の通りである。

図１３は、コントローラ１１，２２間の相互監視処理の第２例を示すフローチャートである。本例においては、判定処理Ｓ２１でコントローラ１からの受信データが予め定めた時間内に更新されていないと判定した場合、モータ制御自体は正常にできるため、処理Ｓ１５でゼロ速度指令により制御的に旋回を停止させた後、処理Ｓ１６で旋回非常ブレーキを作動する。

図１４は、は、コントローラ１１，２２間の相互監視処理の第３例を示すフローチャートである。本例においては、判定処理Ｓ２１において第１のコントローラ１１からの受信データが予め定めた時間内に更新されていないと判定した場合、オペレータに異常通報はするが、モータ制御自体は正常にできるため、処理Ｓ１７で最終的な旋回速度目標値Ｖ＊に、前述のようにして第２のコントローラ２２が油圧センサ２の信号を用いて算出したＶｍａｘを代入することで旋回動作を継続させる。これにより、異常発生時でも旋回を停止させることなく、建設機械の可用性を向上できる。

なお、上記の相互監視処理において更新の有無を確認する受信データとしては、旋回指令やそのフィードバック値の他に、正常に動作していることを互いに定期的に知らせるためのアライブ信号のようなものを用いても良い。

上述したように、本発明の建設機械制御システムによれば、冗長化した油圧センサ２０，２１の出力信号を、旋回指令を演算する第１のコントローラ１１及び旋回用電動モータ１６を制御するインバータ装置１３に備えられた第２のコントローラ２２に入力し、この第２のコントローラ２２が旋回指令信号の妥当性判定処理を実行するので、油圧センサ２０，２１及び第１のコントローラ１１に発生した異常も検出することができ、オペレータの意図しない異常な旋回動作を回避することができる。また、旋回指令信号の妥当性判定処理に加えて、旋回指令に対する出力の妥当性判定処理や監視マイコンを用いた自己診断、各コントローラ１１，２２間の相互監視を行うことにより、個々のコントローラを冗長化することなく低コストで、油圧センサ２０，２１、コントローラ１１，２２、インバータ装置１３及び旋回用電動モータ１６のいずれの故障時においても、電動旋回部の安全性を確保することが可能となる。さらに、冗長化した一方の油圧センサをインバータ装置１３に入力しているため、旋回指令を演算する第１のコントローラ１１や当該コントローラ１１とインバータ装置１３とをつなぐ通信線に発生する異常についても検出することができると共に、この種の異常が検出された場合には、旋回体の旋回を継続させるので、建設機械の可用性を向上することができる

１Ａ…フロント装置、１Ｂ…車体、１ａ…ブーム、１ｂ…アーム、１ｃ…バケット、１ｄ…上部旋回体、１ｅ…下部走行体、３ａ…ブームシリンダ、３ｂ…アームシリンダ、３ｃ…バケットシリンダ、３ｅ…左側走行モータ、３ｆ…右側走行モータ、４ａ、４ｂ…操作装置、５ａ〜５ｆ…スプール型方向切換弁、６…油圧ポンプ、７…エンジン、８…リリーフ弁、９…圧油タンク、１０…動力変換機、１１…第１のコントローラ、１２、１３…インバータ装置、１４…チョッパ、１５…蓄電デバイス、１６…旋回用電動モータ、２０…第１の油圧センサ、２０ａ…第１の油圧センサ（左側）、２０ｂ…第１の油圧センサ（右側）、２１…第２の油圧センサ、２１ａ…第２の油圧センサ（左側）、２１ｂ…第２の油圧センサ（右側）、２２…第２のコントローラ、２３…ＩＧＢＴ、２４…モータ回転位置検出センサ、２５…旋回非常ブレーキ、３０…３相モータ電流センサ、３１…メインマイコン、３２…監視マイコン、３３ａ、３３ｂ…通信ドライバ、Ｌ１…直流電力ライン、Ｌ２…通信線

Claims (9)

1. オペレータが操作する油圧アクチュエータ操作用及び電動アクチュエータ操作用の操作部材と、前記油圧アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた油圧操作信号を出力する油圧操作信号発生手段と、前記電動アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を出力する電気操作信号発生手段と、前記電気操作信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの制御信号を出力する電気制御手段と、前記制御信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの駆動信号を出力するインバータ装置とを備えた建設機械制御システムにおいて、
   前記電動アクチュエータ操作用の操作部材に対応させて、それぞれ複数の前記電気操作信号発生手段及び前記電気制御手段を設置し、前記複数の電気操作信号発生手段から出力される各電気操作信号を前記複数の電気制御手段のそれぞれに個別に入力すると共に、前記複数の電気制御手段の少なくとも１つで、前記各電気操作信号に基づいて算出した値及び前記各制御信号を比較し、その比較結果に基づいて、前記複数の電気操作信号発生手段及び電気制御手段についての異常発生の有無を判定することを特徴とする建設機械制御システム。
2. 請求項１に記載の建設機械制御システムにおいて、
   前記複数の電気制御手段の１つとして、前記インバータ装置に付設されるインバータ装置制御コントローラを用いることを特徴とする建設機械制御システム。
3. 請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の建設機械制御システムにおいて、
   前記異常が発生しているか否かの判定を行う電気制御手段は、これに入力される前記電気操作信号から前記制御信号の上限値を算出すると共に、前記上限値と前記制御信号の符号が一致しているか否かの判定と、当該電気制御手段以外の電気制御手段より出力される前記制御信号と前記上限値との比較を行い、
   比較する両信号の符号が不一致であると判定したとき、若しくは、前記上限値よりも当該電気制御手段以外の電気制御手段から出力される前記制御信号の方が大きいと判定したときには、前記電動アクチュエータの電動動作を停止させることを特徴とする建設機械制御システム。
4. 請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の建設機械制御システムにおいて、
   前記異常が発生しているか否かの判定を行う電気制御手段は、これに入力される前記電気操作信号から前記制御信号の上限値を算出すると共に、前記各電気操作信号又は前記各制御信号の符号が一致しているか否かの判定と、当該電気制御手段以外の電気制御手段より出力される前記制御信号と前記上限値との比較を行い、
   比較する両信号の符号が一致していると判定し、かつ、当該電気制御手段以外の電気制御手段から出力される制御信号の方が前記上限値よりも大きいと判定したときには、前記上限値を用いて前記電動アクチュエータの駆動を継続することを特徴とする建設機械制御システム。
5. 請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の建設機械制御システムにおいて、
   前記異常が発生しているか否かの判定を行う電気制御手段は、これに入力される前記電気操作信号と、当該電気制御手段以外の電気制御手段に入力される前記電気操作信号の差値の算出と、当該差値と予め設定された基準値の比較とを行い、
   前記差値が前記基準値よりも大きいと判定したときには、前記電動アクチュエータの電動動作を停止させることを特徴とする建設機械制御システム。
6. オペレータが操作する油圧アクチュエータ操作用及び電動アクチュエータ操作用の操作部材と、前記油圧アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた油圧操作信号を出力する油圧操作信号発生手段と、前記電動アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を出力する電気操作信号発生手段と、前記電気操作信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの制御信号を出力する電気制御手段と、前記制御信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの駆動信号を出力するインバータ装置とを備えた建設機械制御システムにおいて、
   前記インバータ装置は、前記電動アクチュエータの位置信号に基づいて前記電動アクチュエータの実際の駆動状態を示す状態信号を算出し、前記制御信号の符号と前記状態信号の符号が一致しているか否かの判定と、前記制御信号が前記状態信号よりも大きいか否かの判定とをさらに行って、前記制御信号の符号と前記状態信号の符号が不一致であると判定したとき、若しくは、前記状態信号の方が前記制御信号よりも大きいと判定したときには、前記電動アクチュエータの電動動作を停止させることを特徴とする建設機械制御システム。
7. オペレータが操作する油圧アクチュエータ操作用及び電動アクチュエータ操作用の操作部材と、前記油圧アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた油圧操作信号を出力する油圧操作信号発生手段と、前記電動アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を出力する電気操作信号発生手段と、前記電気操作信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの制御信号を出力する電気制御手段と、前記制御信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの駆動信号を出力するインバータ装置とを備えた建設機械制御システムにおいて、
   前記インバータ装置に、当該インバータ装置自体の状態を監視する監視手段を備え、当該監視手段は、前記電動アクチュエータの位置信号に基づいて前記電動アクチュエータの実際の駆動状態を示す状態信号を算出し、前記制御信号の符号と前記状態信号の符号が一致しているか否かの判定と、前記制御信号が前記状態信号よりも大きいか否かの判定とをさらに行い、
   前記制御信号の符号と前記状態信号の符号が不一致であると判定したとき、若しくは、前記状態信号の方が前記制御信号よりも大きいと判定したときには、前記電動アクチュエータの電動動作を停止させることを特徴とする建設機械制御システム。
8. オペレータが操作する油圧アクチュエータ操作用及び電動アクチュエータ操作用の操作部材と、前記油圧アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた油圧操作信号を出力する油圧操作信号発生手段と、前記電動アクチュエータ操作用の操作部材の操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を出力する電気操作信号発生手段と、前記電気操作信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの制御信号を出力する電気制御手段と、前記制御信号を入力し、これに応じた前記電動アクチュエータの駆動信号を出力するインバータ装置とを備えた建設機械制御システムにおいて、
   前記電気制御手段と前記インバータ装置は、相互間で定期的に監視信号の交換を行うと共に、他方から所定時間内に監視信号を受信したか否かの判定を行い、
   前記インバータ装置は、前記電気制御手段から所定時間内に監視信号を受信しなかったと判定したときに、当該電動動作を停止させるか、若しくは、当該インバータ装置に入力される前記操作信号から算出した前記制御信号の上限値を用いて前記電動アクチュエータの駆動を継続し、
   前記電気制御手段は、前記インバータ装置から所定時間内に監視信号を受信しなかったと判定したときに、当該電動動作を停止させることを特徴とする建設機械制御システム。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の建設機械制御システムにおいて、
   前記電動アクチュエータ、前記電気操作信号発生手段、前記電気制御手段及び前記インバータ装置のいずれかに異常が発生していると判定したとき、発生した異常の内容に応じた通報をオペレータに発することを特徴とする建設機械制御システム。

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