JP6278793B2 - Electric swivel device - Google Patents
Electric swivel device Download PDFInfo
- Publication number
- JP6278793B2 JP6278793B2 JP2014073648A JP2014073648A JP6278793B2 JP 6278793 B2 JP6278793 B2 JP 6278793B2 JP 2014073648 A JP2014073648 A JP 2014073648A JP 2014073648 A JP2014073648 A JP 2014073648A JP 6278793 B2 JP6278793 B2 JP 6278793B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- inertia
- turning
- electric
- controller
- electric motor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Description
本発明は、電動旋回装置に関する。 The present invention relates to an electric swivel device.
近年のパワーショベルやクレーンをはじめとする建設機械において、上部旋回体の動力源として、油圧モータと交流電動機のハイブリッド型が利用される。ハイブリッド型の旋回動力源は、上部旋回体の加速時において、交流電動機によって油圧モータをアシストし、減速時においては交流電動機によって回生運転を行い、発電エネルギによってバッテリを充電する。 In recent construction machines such as power shovels and cranes, a hybrid type of a hydraulic motor and an AC motor is used as a power source for the upper swing body. The hybrid turning power source assists the hydraulic motor with an AC motor during acceleration of the upper turning body, performs regenerative operation with the AC motor during deceleration, and charges the battery with generated energy.
電動旋回装置は、交流電動機と、交流電動機の回転数を検出するレゾルバと、交流電動機の目標回転数ならびにレゾルバの出力にもとづいて、制御信号を生成するコントローラと、制御信号にもとづいて交流電動機を駆動するインバータと、を備える。 The electric turning device includes an AC motor, a resolver that detects the rotation speed of the AC motor, a controller that generates a control signal based on the target rotation speed of the AC motor and the output of the resolver, and an AC motor based on the control signal. An inverter to be driven.
図１は、電動旋回装置の電気系統の制御ブロック図である。電動旋回装置５００ｒの制御量は、回転数ωｒｅｓである。誤差検出器３１は、交流電動機の回転数ωｒｅｓを指示する角速度指令値ωｃｍｄと、レゾルバにより検出される実際の回転数を示す角速度検出値ωｒｅｓの誤差（偏差）を検出する。ＰＩコントローラ３２は、誤差がゼロとなるように値が調節される制御指令値τｉｎを生成する。たとえば制御指令値τｉｎは、回転電動機のトルク指令値である。制御対象５２は、（1）制御指令値τｉｎに応じてパルス変調された駆動信号を生成する駆動信号生成部、（２）駆動信号にもとづいて交流電動機を駆動するインバータ、（３）インバータにより駆動される交流電動機、（４）交流電動機の回転軸により駆動される負荷をモデル化したものであり、その入力がトルクτ、その出力が回転角ωのディメンジョンを有することから、慣性Ｊとしてモデル化される。
FIG. 1 is a control block diagram of an electric system of the electric swivel device. The control amount of the electric
本発明者らは、図１の電動旋回装置５００ｒについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
従来の電動旋回装置５００ｒでは、ＰＩコントローラ３２の比例係数ＫＰ、すなわちループゲインは所定値に固定されるのが一般的であった。あるいはループゲインが可変であったとしても、交流電動機の回転数に応じて調節されるに留まっていた。
As a result of studying the electric
In the conventional electric
しかしながら、産業車両たとえばパワーショベルの上部旋回体がブーム、アーム、バケットなどの可動機構を有し、その慣性Ｊは、各可動機構の状態（角度）、あるいはバケットに収容される物体の重量などに応じてダイナミックに変化する。このことは、電動旋回装置５００ｒのループゲインがダイナミックに変動することを意味する。
However, the upper turning body of an industrial vehicle such as a power shovel has movable mechanisms such as a boom, an arm, and a bucket, and the inertia J depends on the state (angle) of each movable mechanism or the weight of an object accommodated in the bucket. It changes dynamically according to the response. This means that the loop gain of the electric
ある基準慣性Ｊ０に対して安定なフィードバック系を設計したとき、実際の慣性Ｊが基準慣性Ｊ０よりも小さくなると系の安定性が損なわれ、発振などが発生する。反対に、想定される最も小さな慣性ＪＭＩＮを基準としてフィードバック系を設計すると、系の安定性は保証されるが、実際の慣性が基準慣性Ｊ０となったときの応答性が、Ｊ０を基準として最適化した系の応答性よりも劣ることとなる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態によって、ショベルの操作感が変化することを意味し、すなわち操作者に高度な操作技能と経験を要求することとなり好ましくない。 Sometimes designed stable feedback system with respect to the reference inertia J 0, actually the impaired stability becomes smaller when the system than the inertia J is the reference inertia J 0, oscillation and the like occur. On the other hand, if the feedback system is designed based on the smallest expected inertia J MIN , the stability of the system is guaranteed, but the response when the actual inertia becomes the reference inertia J 0 is J 0 . It is inferior to the response of the system optimized as a standard. This means that the feeling of operation of the excavator changes depending on the state of the boom, arm, and bucket, that is, an operator is required to have advanced operation skills and experience, which is not preferable.
なおこの問題を当業者の一般的な認識としてとらえてはならず、本発明者が独自に認識したものである。 This problem should not be regarded as a general recognition of those skilled in the art, but has been uniquely recognized by the present inventors.
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、さまざまな状況において安定性と応答性を両立しうる電動旋回装置の提供にある。 The present invention has been made in view of such problems, and one of exemplary purposes of an aspect thereof is to provide an electric swivel device that can achieve both stability and responsiveness in various situations.
本発明のある態様は、走行機構および走行機構に旋回自在に搭載された上部旋回体を備える産業車両に搭載され、走行機構に対して上部旋回体を旋回駆動させる電動旋回装置に関する。電動旋回装置は、旋回用電動機と、旋回用電動機の回転数を検出する回転角センサと、回転角センサにより検出された旋回用電動機の回転数が、目標回転数と一致するように指令値を生成するコントローラと、上部旋回体の慣性を推定し、推定された慣性に応じてコントローラの制御ゲインを調節する慣性推定器と、指令値にもとづいて旋回用電動機を駆動するインバータと、を備える。 An aspect of the present invention relates to a traveling mechanism and an electric turning device that is mounted on an industrial vehicle including an upper turning body that is turnably mounted on the traveling mechanism, and that drives the upper turning body to turn relative to the traveling mechanism. The electric turning device includes a turning motor, a rotation angle sensor that detects the rotation speed of the turning motor, and a command value so that the rotation speed of the turning motor detected by the rotation angle sensor matches the target rotation speed. A controller to be generated, an inertia estimator that estimates the inertia of the upper-part turning body and adjusts the control gain of the controller according to the estimated inertia, and an inverter that drives the turning electric motor based on the command value.
産業車両では、上部旋回体がブーム、アーム、バケットなどの可動機構を有し、その慣性は、可動機構の状態、あるいはバケットに収容される物体の重量などに応じてダイナミックに変化する。この態様によると、そのときどきの慣性に応じて、ループゲインが一定となるようにコントローラの制御ゲインを調節できるため、さまざまな状況において安定性と応答性を両立できる。 In an industrial vehicle, the upper swing body has a movable mechanism such as a boom, an arm, and a bucket, and its inertia dynamically changes depending on the state of the movable mechanism or the weight of an object accommodated in the bucket. According to this aspect, since the control gain of the controller can be adjusted so that the loop gain becomes constant according to the moment of inertia, both stability and responsiveness can be achieved in various situations.
コントローラはＰＩコントローラを含み、慣性推定器は、推定された慣性に応じて比例係数ＫＰを調節してもよい。 The controller may include a PI controller, and the inertia estimator may adjust the proportionality coefficient K P according to the estimated inertia.
慣性の基準値Ｊ０に最適化された比例係数ＫＰの基準値ＫＰ０が定められてもよい。慣性の基準値Ｊ０からの変動量がΔＪであるとき、比例係数ＫＰは、ＫＰ０×（１＋ΔＪ／Ｊ０）であってもよい。 A reference value K P0 of the proportionality coefficient K P optimized to the inertia reference value J 0 may be determined. When the amount of variation from the reference value J 0 of inertia is ΔJ, the proportionality coefficient K P may be K P0 × (1 + ΔJ / J 0 ).
慣性推定器は、産業車両を統合的に制御する上位コントローラにより取得され、かつ上部旋回体から伸びるブーム、アーム、バケットの状態を示すデータにもとづいて、慣性を推定してもよい。
上位コントローラには、ブーム、アーム、バケットの各可動部の角度などの情報を有している。したがってそれらの情報を利用することで慣性を推定できる。
The inertia estimator may estimate the inertia based on data obtained by a host controller that controls the industrial vehicle in an integrated manner and indicating a state of a boom, an arm, and a bucket extending from the upper turning body.
The host controller has information such as the angles of the movable parts of the boom, arm, and bucket. Therefore, inertia can be estimated by using such information.
慣性推定器は、旋回用電動機のトルク指令値と、旋回用電動機の回転数にもとづいて、慣性を推定してもよい。
トルク指令値と旋回用電動機の回転数を利用することで、オブザーバーによって外乱トルクを推定でき、推定された外乱トルクおよび入力トルク（トルク指令値）から、慣性の変化量を推定できる。この場合、バケットに積載されるがれきや土砂などの重量も考慮した慣性を計算できる。
The inertia estimator may estimate the inertia based on the torque command value of the turning motor and the rotation speed of the turning motor.
By using the torque command value and the rotation speed of the turning electric motor, the disturbance torque can be estimated by the observer, and the amount of change in inertia can be estimated from the estimated disturbance torque and input torque (torque command value). In this case, it is possible to calculate the inertia considering the weight of debris or earth and sand loaded in the bucket.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、さまざまな状況において安定性と応答性を両立できる。 According to the present invention, both stability and responsiveness can be achieved in various situations.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
図２は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主として走行機構２と、走行機構２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に旋回体ともいう）４とを備えている。
FIG. 2 is a perspective view illustrating an appearance of an
旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。
The revolving
図３は、実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図３では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。
FIG. 3 is a block diagram of an electric system and a hydraulic system of the
ショベル１は電動発電機１２および減速機１３を備えており、エンジン１１及び電動発電機１２の回転軸は、共に減速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、電動発電機１２が自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、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。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、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が発電を行う。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）モータによって構成される。電動発電機１２の駆動と発電との切りかえは、ショベル１における電気系統の駆動制御を行うコントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。
The
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が接続されており、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、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図２に示した走行機構２を駆動するための油圧モータ２Ａ及び２Ｂの他、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ており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。
A
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（操作手段）が接続されている。操作装置２６は、旋回用電動機２１、走行機構２、ブーム５、アーム６、及びバケット１０を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。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）を操作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。
An operation device 26 (operation means) is connected to the
圧力センサ２９は、操作装置２６に対して旋回機構３を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン２８内の油圧の変化として検出する。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、旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。
When an operation for turning the
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によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。コントローラ３０は、各種センサ及び操作装置２６等からの操作入力を受けて、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ及び蓄電手段１０１等の駆動制御を行う。
The
油圧モータ３１０は、ブーム５が下げられるときにブームシリンダ７から吐出される油によって回転されるように構成されており、ブーム５が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ３１０は、コントロールバルブ１７とブームシリンダ７の間の油圧管７Ａに設けられている。ブーム回生用発電機３００で発電された電力は、回生エネルギとしてインバータ１８Ｂを経て蓄電手段１０１に供給される。
The
旋回用電動機２１は、図２の旋回機構３に設けられ、上部旋回体４を回動させる。旋回用電動機２１は交流電動機であり、旋回体４を旋回させる旋回機構３の動力源である。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。旋回用インバータ１８Ｃは、蓄電手段１０１からの電力を受け、旋回用電動機２１を駆動する。また旋回用電動機２１の回生運転時には、旋回用電動機２１からの電力を蓄電手段１０１に回収する。
The turning
旋回用電動機２１が力行運転を行う際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、旋回体４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体４の慣性回転により、旋回減速機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。
When the turning
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回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構３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、コントローラ３０からの指令によって、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。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３に機械的に伝達する減速機である。
The
続いて電気系統について詳細に説明する。電気系統は主として、コントローラ３０、電源装置１００、インバータ１８Ａ〜１８Ｃを備える。
Next, the electric system will be described in detail. The electric system mainly includes a
（アシスト）
アシスト用のインバータ１８Ａの２次側（出力）端には、電動発電機１２が接続される。インバータ１８Ａは、コントローラ３０の一部であるアシスト用インバータコントローラ３０Ａからの指令にもとづき、電動発電機１２の運転制御を行う。
(assist)
The
（ブーム回生）
インバータ１８Ｂの２次側（出力）端には、ブーム回生用発電機３００が接続されている。上述のようにブーム回生用発電機３００は、ブーム５が重力の作用により下げられるときに、位置エネルギを電気エネルギに変換する電動作業要素である。インバータ１８Ｂは、コントローラ３０のブーム回生用のインバータコントローラ３０Ｂによって制御され、ブーム回生用発電機３００が発生する電気エネルギを直流電力に変換し、電源装置１００に回収する。
(Boom regeneration)
A
（旋回）
旋回用電動機２１、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、旋回減速機２４、旋回用インバータ１８Ｃおよびコントローラ３０の一部である旋回用のインバータコントローラ３０Ｃは、電動旋回装置５００を構成する。
旋回用電動機２１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御指令により旋回用インバータ１８Ｃによって交流駆動される。旋回用電動機２１としては、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータが好適である。
(Turning)
The turning
The turning
旋回用インバータコントローラ３０Ｃは、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ２２により検出される旋回用電動機２１の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ１８Ｃを制御する。
The turning
（電源）
蓄電手段１０１とコントローラ３０の一部であるコンバータコントローラ３０Ｄは、電源装置１００を構成する。蓄電手段１０１は、例えば蓄電池であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、正極及び負極の直流配線からなるＤＣバスとを備えている（図示せず）。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な２次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。ＤＣバスには、インバータ１８Ａ〜インバータ１８Ｃそれぞれの１次側（直流入力）が接続されている。コントローラ３０Ｄは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。電源装置１００は、電動発電機１２等が力行運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧動作させ、電動発電機１２等が回生運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧動作させ、電動発電機１２が発生した電力を蓄電器に回収する。
(Power supply)
The power storage device 101 and the
すなわち、インバータ１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、必要な電力をバッテリ及び昇降圧コンバータからＤＣバスを介して電動発電機に供給する。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力をＤＣバス及び昇降圧コンバータを介してバッテリに充電する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値にもとづき、コンバータコントローラ３０Ｄによって行われる。これにより、ＤＣバスを、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。
That is, when the
以上がショベル１の全体構成である。続いて、実施の形態に係る電動旋回装置５００について詳細に説明する。
The above is the overall configuration of the
旋回体４の慣性Ｊは、ブーム５、アーム６、及びバケット１０などの可動機構の状態（つまり角度）に応じてダイナミックに変化する。加えて旋回体４の慣性Ｊは、バケット１０に積載されるがれきや土砂などの重量によっても変化する。以下では、旋回体４の慣性Ｊの変動にかかわらず、安定で良好な応答性を実現可能な電動旋回装置５００について説明する。
The inertia J of the revolving
図４は、実施の形態に係る電動旋回装置５００の構成を示すブロック図である。電動旋回装置５００は、旋回用インバータ１８Ｃ、旋回用電動機２１、レゾルバ２２、コントローラ３０の一部であるインバータコントローラ３０Ｃを備える。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of the
たとえば旋回用電動機２１は三相交流電動機であり、旋回用インバータ１８Ｃは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング回路を含む。
For example, the turning
旋回用インバータ１８Ｃを構成するスイッチング回路は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワートランジスタで構成され、パワートランジスタは、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）に内蔵されている。ＩＰＭは、温度センサ等の各種センサを搭載しており、各種センサは、過電流、制御電源電圧低下、出力短絡、温度異常といった事象を検出し、これらの事象を検出した場合には、ＩＰＭエラー信号を出力する。ここで、温度異常の事象は、インバータの温度が所定の運転停止温度以上になったことを意味する。運転停止温度は、例えば１００℃に設定される。ＩＰＭは、ＩＰＭエラー信号を検出すると、駆動対象のモータやインバータの焼損防止のために、駆動対象のモータを駆動するための電流の供給を停止する。この場合には、ショベル１の動作自体も停止され、連続運転が中断される。
The switching circuit constituting the turning
レゾルバ２２は、回転角センサの一種であり、図示しないＲＤコンバータおよびＣＰＵとともに、旋回用電動機２１の回転数ωｒｅｓを検出する。コントローラ３０Ｃは、検出された旋回用電動機２１の回転数ωｒｅｓにもとづいて、駆動信号Ｓ８を生成する。インバータ１８Ｃは駆動信号Ｓ８にもとづいて、旋回用電動機２１を駆動する。
The
インバータコントローラ３０Ｃは、誤差検出器３１、ＰＩコントローラ３２、駆動信号生成部４０、慣性推定器５０を備える。
The
誤差検出器３１は、旋回用電動機２１の旋回速度ωｃｍｄを指示する速度指令値Ｓ４から旋回速度値Ｓ３を減算し、それらの偏差を出力する。速度指令値Ｓ４は例えば操作装置２６の操作量に応じた指令値である（図３参照）。
The
ＰＩコントローラ３２は、誤差検出器３１から出力された偏差にもとづいて、旋回用電動機２１の回転速度ωｒｅｓを速度指令値ωｃｍｄに近づけて偏差が小さくなるようにＰＩ制御を行い、レゾルバ２２により検出された旋回用電動機２１の回転数ωｒｅｓが、目標回転数ωｃｍｄと一致するように値が調節されるトルク電流指令値Ｓ５を生成する。ＰＩコントローラ３２には、パラメータとして、比例係数ＫＰ、積分係数Ｔｉが設定される。本実施の形態において、比例係数ＫＰは可変であり、後述する慣性推定器５０によって設定される。
Based on the deviation output from the
駆動信号生成部４０は、トルク電流指令値Ｓ５を、設定されたキャリア周波数でパルス幅変調（Pulse Width Modulation）することにより、インバータ１８Ｃの各相のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）に対する駆動信号（ゲート駆動パルス）Ｓ８を生成する。駆動信号生成部４０の前段にはトルクリミッタが設けられてもよい。
The drive
慣性推定器５０は、旋回体４の慣性Ｊを推定し、推定された慣性Ｊに応じてＰＩコントローラ３２の制御ゲインを調節する。以下、慣性推定器５０による比例係数ＫＰの制御について、いくつかの実施例をもとに説明する。
The
（第１実施例）
図５は、第１実施例に係る慣性推定器５０ａを備える電動旋回装置５００ａの制御ブロック図である。
(First embodiment)
FIG. 5 is a control block diagram of the electric swivel device 500a including the
慣性推定器５０ａは、ショベル１を統合的に制御する上位コントローラにより取得される情報、より具体的には、旋回体４から伸びるブーム５、アーム６、バケット１０の少なくともひとつの状態を示すデータにもとづいて、慣性Ｊを推定する。
The
図６は、ショベル１を模式的に示す図である。たとえば上位コントローラには、ブーム５、アーム６、バケット１０それぞれの角度θ０、θ１、θ２が保持される。旋回体４の慣性Ｊは、ブーム５、アーム６、バケット１０それぞれの角度θ０、θ１、θ２を引数とする関数で定義できる。
Ｊ＝ｆ（θ０、θ１、θ２）
図５に戻る。慣性推定器５０ａは、上位コントローラからのデータθ０、θ１、θ２を受け、関数ｆにもとづいて慣性Ｊを計算する。
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating the
J = f (θ 0 , θ 1 , θ 2 )
Returning to FIG. The
旋回体４の慣性Ｊに基準値Ｊ０を定め、基準器Ｊ０に最適となるように定められたＰＩコントローラ３２の比例係数ＫＰを、基準比例係数ＫＰ０と呼ぶ。このとき慣性推定器５０ａは、ＫＰ＝ＫＰ０×Ｊ／Ｊ０から求まる値に設定してもよい。
Defining a reference value J 0 to the inertia J of the
図７（ａ）は、比例係数ＫＰを基準値ＫＰ０に固定したときの、図７（ｂ）は、図５の電動旋回装置５００ａにより比例係数ＫＰを変化させたときのシミュレーション波形図である。上段には慣性Ｊが、下段には速度指令ωｃｍｄおよび応答速度ωｒｅｓが示される。慣性Ｊは、０．３から１．０の範囲で台形状に変化している。
比例係数ＫＰは、慣性Ｊの最小値（ここでは０．３）において最適化されている。図７（ａ）に示すように、比例係数ＫＰを固定すると、慣性Ｊが最小値のときには、良好な応答が得られるが、慣性Ｊが大きくなると、速度指令ωｃｍｄおよび応答速度ωｒｅｓの誤差が大きくなってしまい応答性が損なわれることがわかる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態によって、ショベル１の操作感が変化することを意味し、すなわち操作者に高度な操作技能と経験を要求することとなり好ましくない。
7 (a) is, when fixing the proportional coefficient K P to the reference value K P0, FIG. 7 (b), a simulation waveform diagram when changing the proportional coefficient K P by the electric turning device 500a of FIG. 5 It is. In the upper part, inertia J is shown, and in the lower part, speed command ω cmd and response speed ω res are shown. Inertia J changes to a trapezoid in the range of 0.3 to 1.0.
The proportional coefficient K P is optimized at the minimum value of inertia J (here, 0.3). As shown in FIG. 7A, when the proportionality coefficient K P is fixed, a good response is obtained when the inertia J is the minimum value. However, when the inertia J increases, the speed command ω cmd and the response speed ω res It can be seen that the error increases and the responsiveness is impaired. This means that the feeling of operation of the
これに対して実施の形態に係る電動旋回装置５００ａによれば、慣性Ｊに応じて比例係数ＫＰを変化させることで、図７（ｂ）に示すように、慣性Ｊの値によらずに速度指令ωｃｍｄに対して応答速度ωｒｅｓを良好に追従させることができる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態にかかわらず、ショベル１の操作感が変化しないことを意味し、操作者に要求される技能、経験を低減することができる。
On the other hand, according to the electric swivel device 500a according to the embodiment, by changing the proportionality coefficient K P according to the inertia J, as shown in FIG. 7B, regardless of the value of the inertia J. The response speed ω res can be satisfactorily followed with respect to the speed command ω cmd . This means that the feeling of operation of the
（第２実施例）
第１実施例では、上位コントローラからの情報にもとづいて慣性Ｊを計算した。これに対して第２実施例では、コントローラ３０Ｃにおいて慣性Ｊを推定する。
はじめに慣性Ｊの推定の理論を説明する。図８は、第２実施例に係る慣性推定器５０ｂを備える電動旋回装置５００ｂの制御ブロック図である。
(Second embodiment)
In the first embodiment, the inertia J is calculated based on information from the host controller. In contrast, in the second embodiment, the
First, the theory of estimating the inertia J will be described. FIG. 8 is a control block diagram of the electric swivel device 500b including the inertia estimator 50b according to the second embodiment.
理想系における旋回体４の運動方程式として式（１）を得る。
Ｊ０・ω’＝τｉｎ
ω：回転角速度 （’は時間微分を表す）
τｉｎ：モータ入力トルク
Equation (1) is obtained as an equation of motion of the revolving
J 0・ ω '＝ τ in
ω: Rotational angular velocity ('represents time derivative)
τ in : Motor input torque
現実的には、慣性Ｊは基準値Ｊ０から逸脱し、基準値Ｊ０からの変化量をΔＪとすると、慣性Ｊは以下の式で表すことができる。
Ｊ＝Ｊ０＋ΔＪ
In practice, the inertia J is the departing from the reference value J 0, the change amount from the reference value J 0 and .DELTA.J, inertia J can be represented by the following formula.
J = J 0 + ΔJ
また、現実の系における運動方程式として式（２）を得る。
Ｊ・ω’＝τｉｎ−τｄｉｓ …（２）
Ｊは現実の慣性であり、τｄｉｓは、外乱トルクである。
Also, Equation (2) is obtained as an equation of motion in an actual system.
J · ω ′ = τ in −τ dis (2)
J is the actual inertia, and τ dis is the disturbance torque.
式（１）、（２）から、以下の式を得る。
（Ｊ０＋ΔＪ）・ω’＝τｉｎ−τｄｉｓ
Ｊ０・ω’＋（ΔＪ＋τｄｉｓ／ω’）・ω’＝τｉｎ
左辺の（ΔＪ＋τｄｉｓ／ω’）・ω’を、オブザーバーによって推定するトルク（推定トルク）＾τｄｉｓとし、（ΔＪ＋τｄｉｓ／ω’）を＾ΔＪとおく。
From the formulas (1) and (2), the following formula is obtained.
(J 0 + ΔJ) · ω ′ = τ in −τ dis
J 0 · ω ′ + (ΔJ + τ dis / ω ′) · ω ′ = τ in
Let (ΔJ + τ dis / ω ′) · ω ′ on the left side be torque (estimated torque) ^ τ dis estimated by the observer, and (ΔJ + τ dis / ω ′) be ^ ΔJ.
Ｊ０・ω’＋＾ΔＪω’＝τｉｎ …（３）
＾τｄｉｓ＝＾ΔＪ・ω’ …（４）
式（１）、（４）から式（５）を得る。
＾ΔＪ＝＾τｄｉｓ／（τｉｎ−＾τｄｉｓ）・Ｊ０ …（５）
J 0 · ω ′ + ^ ΔJω ′ = τ in (3)
^ Τ dis = ^ ΔJ · ω '(4)
Equation (5) is obtained from equations (1) and (4).
^ ΔJ = ^ τ dis / (τ in − ^ τ dis ) · J 0 (5)
つまり外乱トルクτｄｉｓを推定すれば、その値から式（５）にもとづいて慣性Ｊの変動量ΔＪを推定することができる。 That is, if the disturbance torque τ dis is estimated, the fluctuation amount ΔJ of the inertia J can be estimated from the value based on the equation (5).
図９（ａ）、（ｂ）は、推定外乱トルク＾τｄｉｓと推定慣性変動量＾ΔＪの関係を示す図である。図９（ａ）は、ω＞０のとき、図９（ｂ）は、ω＜０のときの関係であり、それらは左右対称である。また図中の一点鎖線は式（５）を示す。慣性推定器５０ｂは、一点鎖線の式（５）のΔＪをそのまま用いるのではなく、図９に実線で示す関係を用いることが望ましい。 FIGS. 9A and 9B are diagrams showing the relationship between the estimated disturbance torque ^ τ dis and the estimated inertia fluctuation amount ΔΔJ. FIG. 9A shows the relationship when ω> 0, and FIG. 9B shows the relationship when ω <0, which are symmetrical. Moreover, the dashed-dotted line in a figure shows Formula (5). The inertia estimator 50b desirably uses the relationship shown by the solid line in FIG.
τｄｉｓ＞ｋ・τｉｎとなる領域（A）では、＾ΔＪ＝ΔＪｍａｘである。ｋは、補償すべき最大慣性ΔＪｍａｘから定まる係数である。
また、＾τｄｉｓ＜０の領域（B）では、外部からアシストされていることと等価であるため、ΔＪ＝０とする。
それらの間の領域（C）では、式（５）が用いられる。
In the region (A) where τ dis > k · τ in , ^ ΔJ = ΔJ max . k is a coefficient determined from the maximum inertia ΔJ max to be compensated.
Further, in the region (B) where τ dis <0, it is equivalent to being assisted from the outside, so ΔJ = 0.
In the region (C) between them, equation (5) is used.
図８に戻る。続いて慣性推定器５０ｂによる外乱トルクτｄｉｓの推定を説明する。たとえば慣性推定器５０ｂは、式（６）にもとづいて推定外乱トルク＾τｄｉｓを計算する。
＾τｄｉｓ＝ｇｏｂ／（ｓ＋ｇｏｂ）×（τｉｎ−Ｊ０ｓω）
＝ｇｏｂ／（ｓ＋ｇｏｂ）×（τｉｎ−ｇｏｂＪ０ω）−ｇｏｂＪ０ω …（６）
ただし、ｇｏｂはオブザーバゲインである。
Returning to FIG. Next, the estimation of the disturbance torque τ dis by the inertia estimator 50b will be described. For example, the inertia estimator 50b calculates the estimated disturbance torque { circumflex over (τ) } dis based on the equation (6).
^ Τ dis = g ob / ( s + g ob) × (τ in -
= G ob / (s + g ob) × (τ in -
Where g ob is an observer gain.
また入力トルクτｉｎの推定値は、式（７）で計算される。
＾τｉｎ＝ｇｏｂ／（ｓ＋ｇｏｂ）×τｉｎ …（７）
The estimated value of the input torque tau in can be expressed by equation (7).
^ Τ in = g ob / (s + g ob ) × τ in (7)
式（６）、（７）から計算されるトルク＾τｉｎ、＾τｄｉｓを式（５）に代入することで、慣性Ｊの変動量ΔＪを推定できる。慣性推定器５０ｂは、式（８）にしたがって比例係数ＫＰを設定する。
ＫＰ＝ＫＰ０×（１＋ΔＪ／Ｊ０）
以上が電動旋回装置５００ｂの構成である。
Equation (6), the torque is calculated from (7) ^ tau in, by substituting ^ tau dis in equation (5) can be estimated variation ΔJ of inertia J. The inertia estimator 50b sets the proportionality coefficient K P according to the equation (8).
K P = K P0 × (1 + ΔJ / J 0 )
The above is the configuration of the electric swivel device 500b.
図１０（ａ）は、比例係数ＫＰを基準値ＫＰ０に固定したときの、図１０（ｂ）は、図８の電動旋回装置５００ｂにより比例係数ＫＰを変化させたときのシミュレーション波形図である。上段には慣性Ｊが、下段には速度指令ωｃｍｄおよび応答速度ωｒｅｓが示される。慣性Ｊは、０．３から１．０の範囲で台形状に変化している。図１０（ａ）は、図７（ａ）と同じである。 10 (a) is, when fixing the proportional coefficient K P to the reference value K P0, FIG. 10 (b), a simulation waveform diagram when changing the proportional coefficient K P by the electric turning device 500b of FIG. 8 It is. In the upper part, inertia J is shown, and in the lower part, speed command ω cmd and response speed ω res are shown. Inertia J changes to a trapezoid in the range of 0.3 to 1.0. FIG. 10 (a) is the same as FIG. 7 (a).
電動旋回装置５００ｂによれば、慣性Ｊに応じて比例係数ＫＰを変化させることで、図１０（ｂ）に示すように、慣性Ｊの値によらずに速度指令ωｃｍｄに対して応答速度ωｒｅｓを良好に追従させることができる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態にかかわらず、ショベル１の操作感が変化しないことを意味し、操作者に要求される技能、経験を低減することができる。
According to the electric swivel device 500b, by changing the proportional coefficient K P according to the inertia J, the response speed with respect to the speed command ω cmd regardless of the value of the inertia J, as shown in FIG. ω res can be made to follow well. This means that the feeling of operation of the
図１１は、図８の電動旋回装置５００ｂの別のシミュレーション波形図である。図１１には上から順に、慣性Ｊおよびその推定値＾Ｊ、速度指令ωｃｍｄおよび速度応答ωｒｅｓ、が示される。図１１に示すように、図８の慣性推定器５０ｂによれば、慣性Ｊを正しく推定できていることがわかる。 FIG. 11 is another simulation waveform diagram of the electric swivel device 500b of FIG. FIG. 11 shows the inertia J and its estimated value ^ J, the speed command ω cmd and the speed response ω res in order from the top. As shown in FIG. 11, according to the inertia estimator 50b of FIG. 8, it can be seen that the inertia J can be correctly estimated.
第１実施例では、バケットに積載されるがれきや土砂の重量を考慮することが難しい。これに対して第２実施例では、バケットの積載重量による慣性の変動量ΔＪも考慮することができるという利点もある。 In the first embodiment, it is difficult to consider the weight of debris and earth and sand loaded in the bucket. On the other hand, in the second embodiment, there is an advantage that the variation amount ΔJ of the inertia due to the load weight of the bucket can be taken into consideration.
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。 In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It is understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, and various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. It is a place. Hereinafter, such modifications will be described.
（第１変形例）
実施の形態では、コントローラ３０ＣがＰＩコントローラ３２を含む場合を説明したが、ＰＩコントローラ３２に代えて、ＰＩＤコントローラ、あるいはＰコントローラを含んでもよい。
(First modification)
Although the case where the
（第２変形例）
実施の形態では、ＰＩコントローラ３２の比例係数ＫＰを変化させる場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえば駆動信号生成部４０が、トルク指令τｉｎを目標量として旋回用電動機２１のトルク（電流）を制御するフィードバック系で構成される場合、駆動信号生成部４０も、ＰＩコントローラあるいはＰＩＤコントローラを含む場合がある。この場合、駆動信号生成部４０のコントローラの係数を、推定される慣性Ｊにもとづいて調節してもよい。
(Second modification)
In the embodiment, the case where the proportional coefficient K P of the
（第３変形例）
慣性推定器５０における慣性Ｊの推定方法は、実施例１、実施例２に説明したものには限定されず、当業者によればその他の方法によっても慣性Ｊを推定しうることが理解される。
(Third Modification)
The method of estimating the inertia J in the
（第４変形例）
実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル１を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、旋回機構を備えるリフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。
(Fourth modification)
In the embodiment, the
１…ショベル、２…走行機構、２Ａ…油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、７…ブームシリンダ、７Ａ…油圧管、８…アームシリンダ、９…バケットシリンダ、１０…バケット、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、１８，１８Ａ，１８Ｂ…インバータ、１８Ｃ…旋回用インバータ、１９…インタフェース回路、２１…旋回用電動機、２１Ａ…回転軸、２２…レゾルバ、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、２７，２８…油圧ライン、２９…圧力センサ、３０…コントローラ、３０Ａ，３０Ｃ…インバータコントローラ、３０Ｄ…コンバータコントローラ、３１…誤差検出器、３２…ＰＩコントローラ、４０…駆動信号生成部、５０…慣性推定器、５２…制御対象、１００…蓄電手段、３００…ブーム回生用発電機、３１０…油圧モータ、５００…電動旋回装置、Ｓ１…電流検出値、Ｓ３…旋回速度値、Ｓ４…速度指令値、Ｓ５…トルク電流指令値、Ｓ６…トルクリミット値、Ｓ７…トルク電流指令値。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
旋回用電動機と、
前記旋回用電動機の回転数を検出する回転角センサと、
前記回転角センサにより検出された前記旋回用電動機の回転数が、目標回転数と一致するように指令値を生成するコントローラと、
前記上部旋回体の慣性を推定し、推定された前記慣性に応じて前記コントローラの制御ゲインを調節する慣性推定器と、
前記指令値にもとづいて前記旋回用電動機を駆動するインバータと、
を備えることを特徴とする電動旋回装置。 An electric turning device mounted on an industrial vehicle including a traveling mechanism and an upper turning body that is turnably mounted on the traveling mechanism, and drives the upper turning body to turn with respect to the traveling mechanism,
An electric motor for turning;
A rotation angle sensor for detecting the rotation speed of the electric motor for turning;
A controller that generates a command value so that the rotation speed of the turning electric motor detected by the rotation angle sensor matches a target rotation speed;
An inertia estimator that estimates the inertia of the upper swing body and adjusts the control gain of the controller according to the estimated inertia;
An inverter that drives the turning electric motor based on the command value;
An electric swivel device comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014073648A JP6278793B2 (en) | 2014-03-31 | 2014-03-31 | Electric swivel device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014073648A JP6278793B2 (en) | 2014-03-31 | 2014-03-31 | Electric swivel device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015196946A JP2015196946A (en) | 2015-11-09 |
| JP6278793B2 true JP6278793B2 (en) | 2018-02-14 |
Family
ID=54546811
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014073648A Active JP6278793B2 (en) | 2014-03-31 | 2014-03-31 | Electric swivel device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6278793B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7190359B2 (en) | 2019-01-25 | 2022-12-15 | ミネベアミツミ株式会社 | planar switch |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6935122B2 (en) * | 2017-03-06 | 2021-09-15 | 住友重機械工業株式会社 | Work machine |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0720909A (en) * | 1993-06-30 | 1995-01-24 | Toyo Electric Mfg Co Ltd | Machine constant estimating method |
| JPH08331879A (en) * | 1995-06-01 | 1996-12-13 | Toyo Electric Mfg Co Ltd | Mechanical constant estimation circuit |
| EP2910690A1 (en) * | 2004-11-17 | 2015-08-26 | Komatsu Ltd. | Rotation control device and construction machine |
| JP2008029189A (en) * | 2006-06-23 | 2008-02-07 | Fuji Electric Fa Components & Systems Co Ltd | Speed control device of motor |
| JP4881280B2 (en) * | 2007-11-14 | 2012-02-22 | 住友建機株式会社 | Swing control device |
| JP5420324B2 (en) * | 2009-06-23 | 2014-02-19 | 住友建機株式会社 | Swivel drive control device and construction machine including the same |
| US8297392B2 (en) * | 2009-09-25 | 2012-10-30 | Caterpillar Inc. | Hybrid energy management system |
-
2014
- 2014-03-31 JP JP2014073648A patent/JP6278793B2/en active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7190359B2 (en) | 2019-01-25 | 2022-12-15 | ミネベアミツミ株式会社 | planar switch |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2015196946A (en) | 2015-11-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5436900B2 (en) | Hybrid construction machine | |
| JP5031718B2 (en) | Swivel drive control device and construction machine including the same | |
| JP5095361B2 (en) | Swivel drive control device and construction machine including the same | |
| JP5844377B2 (en) | Construction machine and control method for turning electric motor | |
| JP6278793B2 (en) | Electric swivel device | |
| JP5611532B2 (en) | Servo control system and work machine | |
| JP2010116708A (en) | Hybrid-type construction machine | |
| JP2010222814A (en) | Hybrid construction machinery | |
| JP4745322B2 (en) | Swivel drive control device and construction machine including the same | |
| JP4648938B2 (en) | Swivel drive control device and construction machine using the same | |
| JP2015195659A (en) | Power supply device for industrial vehicle | |
| JP6679334B2 (en) | Power generator and shovel using the same | |
| JP6366978B2 (en) | Industrial vehicle power supply | |
| JP6119154B2 (en) | Swing control device for work machine | |
| JP2015194007A (en) | Electric swing device for shovel | |
| JP2017046495A (en) | Power supply device and industrial vehicle | |
| JP6278785B2 (en) | Industrial vehicle power supply | |
| JP6362900B2 (en) | Electric swivel device and controller | |
| JP6676396B2 (en) | Motor driving device and industrial machine using the same | |
| JP5968819B2 (en) | Electric turning control device | |
| JP2016131429A (en) | Power supply device and industrial vehicle | |
| JP6571364B2 (en) | Electric swivel device for work machine | |
| JP6410447B2 (en) | Industrial vehicle power supply | |
| JP5814835B2 (en) | Excavator | |
| JP2013189759A (en) | Shovel |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170315 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180109 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180116 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180116 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6278793 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |