JP6563182B2

JP6563182B2 - 建設機械

Info

Publication number: JP6563182B2
Application number: JP2014176172A
Authority: JP
Inventors: 誠柳澤
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP2016050424A

Description

本発明は旋回用電動機を搭載する建設機械に関する。

旋回用電動機に接続されるインバータを冷却するための冷却水の温度が所定温度以上となった場合に旋回用電動機のトルク出力を制限するショベルが知られている（特許文献１参照。）。

特開２０１０−２２２８１５号公報

しかしながら、旋回操作中に旋回用電動機のトルク出力が過度に制限されると、操作フィーリングを悪化させてしまうおそれがある。また、旋回減速中に旋回用電動機のトルク出力が制限されると、旋回用電動機の減速トルクが制限され、旋回の停止が遅れるおそれがある。

上述の点に鑑み、旋回用電動機の旋回トルクをより適切に制限できる建設機械の提供が望まれる。

本発明の実施例に係る建設機械は、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体を旋回させる旋回用電動機と、前記旋回用電動機を駆動するインバータと、前記インバータを制御するコントローラと、を有し、前記コントローラは、前記旋回用電動機及び前記インバータの少なくとも一方の負荷率が高いほど前記旋回用電動機の加速トルクの上限を低減させ、前記負荷率は、前記旋回用電動機と前記インバータとの間を流れる電流の値が大きいほど増加する。

上述の手段により、旋回用電動機の旋回トルクをより適切に制限できる建設機械が提供される。

本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図１のショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図１のショベルに搭載されるコントローラの構成例を示すブロック図である。加速トルク制限値と負荷率との関係を定める参照テーブルの一例を示すグラフである。速度制限値と負荷率との関係を定める参照テーブルの一例を示すグラフである。旋回制限処理の流れを示すフローチャートである。旋回押し付け作業中の各種物理量の時間的推移を示すグラフである。旋回用電動機の旋回角速度、旋回エネルギ、及び旋回トルクの時間的推移を示す図である。

まず、本発明の実施例に係る建設機械の全体構成及びその駆動系の構成について説明する。図１は本発明の実施例に係る建設機械としてのショベルの構成例を示す側面図である。なお、本発明は、ショベルに限らず、旋回用電動機を搭載するものであれば、他の建設機械にも適用することができる。

図１に示すショベルの下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載される。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられる。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられる。ブーム４、アーム５、及びバケット６は、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によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は図１に示すショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示される。

エンジン１１と電動発電機１２は減速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続される。減速機１３の出力軸には油圧ポンプとしてのメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続される。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。

コントロールバルブ１７はショベルにおける油圧系の制御を行う油圧制御装置である。本実施例では、コントロールバルブ１７は高圧油圧ラインを介して右側走行用油圧モータ２Ａ、左側走行用油圧モータ２Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９等の各種アクチュエータに接続される。

蓄電系１２０は、蓄電装置１９と、昇降圧コンバータ１９ａと、ＤＣバス１９ｂとを含む。蓄電装置１９は例えばキャパシタであり、昇降圧コンバータ１９ａ、ＤＣバス１９ｂ、及びインバータ１８を介して電動発電機１２に接続される。また、蓄電装置１９は、昇降圧コンバータ１９ａ、ＤＣバス１９ｂ、及びインバータ２０を介して旋回用電動機２１に接続される。昇降圧コンバータ１９ａは、蓄電装置１９とＤＣバス１９ｂとの間に配置され、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス１９ｂの電圧レベルが一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１９ｂは、昇降圧コンバータ１９ａとインバータ１８及びインバータ２０のそれぞれとの間に配置され、蓄電装置１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を可能にする。

インバータ１８は、コントローラ３０からのトルク電流指令値に応じてモータ駆動電流を電動発電機１２に対して出力する。また、インバータ２０は、コントローラ３０からのトルク電流指令値に応じてモータ駆動電流を旋回用電動機２１に対して出力する。

また、インバータ１８及びインバータ２０のそれぞれの内部には、インバータの回路を構成するトランジスタを組み込んだインテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power Module（ＩＰＭ））が搭載される。

旋回用電動機２１の出力軸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。

操作装置２６は、各種アクチュエータを操作するための装置であり、操作量、操作方向等の操作内容に応じたパイロット圧を発生させる。また、操作装置２６は、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７に接続される。コントロールバルブ１７は、操作装置２６が発生させたパイロット圧に応じて各種アクチュエータに対応するスプール弁を動かし、メインポンプ１４が吐出する作動油を各種アクチュエータに供給する。また、操作装置２６は、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９に接続される。圧力センサ２９は、操作装置２６が発生させたパイロット圧を電気信号に変換し、変換した電気信号をコントローラ３０に対して出力する。

電流計Ｍ１は、インバータ２０と旋回用電動機２１との間を流れる電流を検出する装置であり、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。また、電流計Ｍ１は、電流フィードバック制御、電流監視・チェック等を実行可能な別の演算処理装置に対して検出した値を出力してもよい。なお、別の演算処理装置は、例えばインバータ２０に一体化されてもよくインバータ２０から独立した別体として構成されてもよい。

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う制御装置である。本実施例では、コントローラ３０は、ＣＰＵ及び内部メモリを含む演算処理装置である。具体的には、演算処理装置は、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵに実行させて各種機能を実現する。

図３は、コントローラ３０の機能ブロック図を含み、旋回用電動機２１の駆動制御を行う際に用いられる機能要素を示す。本実施例では、コントローラ３０は、主に、速度指令生成部３１、速度制限部３２、減算器３３、ＰＩ制御部３４、トルク制限部３５、負荷率算出部３６、加速トルク制限生成部３７、及び速度制限生成部３８を有する。

速度指令生成部３１は、旋回操作レバーのレバー操作量を表す圧力センサ２９からの電気信号に基づいて速度指令値を生成する。

速度制限部３２は、速度制限値を用いて速度指令値を速度制限値以下に制限する。本実施例では、速度制限部３２は、速度指令生成部３１が生成した速度指令値が速度制限値以上であれば速度制限値を速度指令値として減算器３３に対して出力する。また、速度制限部３２は、速度指令生成部３１が生成した速度指令値が速度制限値未満であればその速度指令値をそのまま減算器３３に対して出力する。

減算器３３は、速度指令値と旋回速度の現在値（実旋回速度）との偏差をＰＩ制御部３４に対して出力する。実旋回速度は、例えば旋回速度検出器としてのレゾルバ２２の検出値から導き出される。具体的には、コントローラ３０は、旋回用電動機２１の回転位置の変化に基づいて実旋回速度を導き出す。

ＰＩ制御部３４は、減算器３３から入力される偏差に基づいてＰＩ制御を実行する。本実施例では、ＰＩ制御部３４は、実旋回速度が速度指令値に近づくようにトルク電流指令値を生成する。そして、ＰＩ制御部３４は、生成したトルク電流指令値をトルク制限部３５に対して出力する。

トルク制限部３５は、トルク制限値（加速トルク制限値を含む。）を用いてトルク電流指令値をトルク制限値以下に制限する。本実施例では、トルク制限部３５は、トルク電流指令値がトルク制限値以上であればトルク制限値をトルク電流指令値として採用する。また、トルク制限部３５は、トルク電流指令値がトルク制限値未満であればそのトルク電流指令値をそのまま採用する。そして、トルク制限部３５は、採用したトルク電流指令値をインバータ２０に対して出力する。

トルク電流指令値を受けたインバータ２０は、そのトルク電流指令値に応じてＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号でトランジスタ等のスイッチング素子を制御する。また、インバータ２０は、トルク電流指令値とトルク電流の現在値との偏差を極小化するようにトルク電流指令値をフィードバック制御してもよい。この場合、トルク電流の現在値は、例えば、電流計Ｍ１が検出する値である。

負荷率算出部３６は、インバータ２０及び旋回用電動機２１を含む旋回駆動系の負荷率を算出する。また、負荷率算出部３６は、旋回駆動系の温度が高いほど負荷率が高くなるように負荷率を算出する。例えば、負荷率算出部３６は、インバータ２０のＩＰＭの温度が高いほど、或いは、旋回用電動機２１の温度が高いほど負荷率が高くなるように負荷率を算出する。本実施例では、負荷率算出部３６は、電流計Ｍ１の検出値に基づいて負荷率を算出する。インバータ２０と旋回用電動機２１との間を流れる電流が大きいほど旋回駆動系の温度が高くなると推定されるためである。具体的には、負荷率算出部３６は、所定の制御周期毎に電流計Ｍ１が検出する電流値に対応する発熱量を直近の所定期間にわたって積算し、その所定期間における発熱量積算値を導き出す。また、負荷率算出部３６は、その直近の所定期間における冷却回路の冷却能力に応じた値（冷却熱量積算値）をその発熱量積算値から差し引いて現時点における負荷率を導き出す。なお、冷却熱量積算値は予め記憶された値であってもよく、或いは、冷却回路を構成する冷却水ポンプの吐出量、冷却水の温度等を検出する各種センサの出力に基づいて動的に導き出されてもよい。この場合、電流計Ｍ１の検出値に対応する発熱量の瞬間値の大きさがその冷却回路による冷却熱量の瞬間値の大きさ未満である状態が継続すると負荷率は時間と共に減少する。このようにして、負荷率算出部３６は、所定の制御周期毎に負荷率を導き出し、加速トルク制限生成部３７及び速度制限生成部３８のそれぞれに対してその負荷率を出力する。

また、負荷率算出部３６は、電流計Ｍ１の検出値から定格電流値（冷却回路の冷却能力に相当する熱量を発生させる電流値）を差し引いた値の積分値として負荷率を導き出してもよい。

また、負荷率算出部３６は、インバータ２０及び旋回用電動機２１の少なくとも一方の温度を図示しない温度センサで測定し、その測定値に基づいて負荷率を算出してもよく、その測定値をそのまま負荷率としてもよい。本来、旋回用電動機２１を流れる電流の積算値、又は、その電流値に対応する発熱量の積算値は、旋回駆動系の温度（例えば、インバータ２０及び旋回用電動機２１の少なくとも一方の温度）を適切に測定できない場合にその温度を推定するためのものだからである。

また、負荷率算出部３６は、電流計Ｍ１の検出値（モータ駆動電流）及び温度センサの測定値（インバータ２０又は旋回用電動機２１の温度）のそれぞれに基づいて複数の負荷率を算出し、それら複数の負荷率の統計値（例えば最大値、最小値、平均値）を最終的な負荷率として採用してもよい。

また、コントローラ３０は、負荷率算出部３６が算出した負荷率が所定の過負荷レベルを超えたと判断した場合、インバータ２０に対してオフ指令を出力してインバータ２０の出力を停止させ、且つ、メカニカルブレーキ２３に対してブレーキ指令を出力してメカニカルブレーキ２３による制動力を発生させる。その結果、旋回用電動機２１は、旋回中であるか否かにかかわらず、インバータ２０からの電流の供給が強制的に遮断され、且つ、メカニカルブレーキ２３によって強制的に停止させられる。

加速トルク制限生成部３７は、上部旋回体３の旋回速度を増大（加速）させようとする加速トルクを制限する加速トルク制限値を生成する。本実施例では、加速トルク制限生成部３７は、負荷率算出部３６が算出する負荷率に応じて加速トルク制限値を生成し、生成した加速トルク制限値をトルク制限部３５に対して出力する。

また、加速トルク制限生成部３７は、電流計Ｍ１の検出値（モータ駆動電流）及び温度センサの測定値（インバータ２０又は旋回用電動機２１の温度）に基づいて負荷率算出部３６が算出する複数の負荷率のそれぞれに応じて複数の加速トルク制限値を生成し、それら複数の加速トルク制限値の統計値（例えば最大値、最小値、平均値）を最終的な加速トルク制限値として採用してもよい。

なお、加速トルク制限値は、上部旋回体３の旋回速度を増大（加速）させようとする加速トルクを制限するものであり、上部旋回体３の旋回速度を低減（減速）させようとする減速トルクを制限するものではなく、上部旋回体３を旋回させないようにする保持トルクを制限するものでもない。そのため、コントローラ３０は、加速トルクが発生する場合に限り、トルク制限部３５においてトルク電流指令値が所定の加速トルク制限標準値未満の加速トルク制限値で制限されるようにする。

具体的には、コントローラ３０は、加速トルクが発生すると判定した場合に限り、加速トルク制限生成部３７からトルク制限部３５へ加速トルク制限値を出力させる。例えば、コントローラ３０は、実旋回速度と速度指令値とに基づいて加速トルクが発生するか否かを判定する。ここで実旋回速度及び速度指令値が何れも右旋回時に正値となり左旋回時に負値となる場合を想定する。この場合、コントローラ３０は、実旋回速度の正負符号と速度指令値の正負符号が同じで且つ実旋回速度が速度指令値よりもゼロに近いときに加速トルクが発生すると判定する。

なお、コントローラ３０は、加速トルクが発生すると判定した場合に限り加速トルク制限生成部３７に加速トルク制限値を出力させる代わりに、加速トルクが発生すると判定した場合に限りトルク制限部３５に加速トルク制限値を受信させてもよい。

なお、コントローラ３０は、例えば減速トルク又は保持トルクが発生する場合等、加速トルクが発生しないと判定した場合には、負荷率の変動とは無関係に設定されるトルク制限値でトルク電流指令値を制限してもよい。

ここで、図４を参照し、加速トルク制限生成部３７が生成する加速トルク制限値について説明する。なお、図４は、加速トルク制限値と負荷率との関係を定める参照テーブルの一例を示すグラフである。

図４に示すように、加速トルク制限値は、負荷率算出部３６が算出する負荷率の値が所定の制限開始レベルとして定められた値ＬＶｓ（以下、「制限開始レベルＬＶｓ」とする。）に達するまでは所定値ＴＬ１で一定に推移する。なお、所定値ＴＬ１は旋回駆動系の損傷を防止するために旋回駆動系の仕様に応じて決まる上限値である。したがって、所定値ＴＬ１の大きさによっては、負荷率が制限開始レベルＬＶｓ未満であっても加速トルク制限値は必ずしも一定に推移する必要はない。そして、加速トルク制限値は、負荷率が制限開始レベルＬＶｓを超えると負荷率に応じた一定の割合で減少し、負荷率が所定の過負荷レベルとして定められた値ＬＶｅ（以下、「過負荷レベルＬＶｅ」とする。）に達すると所定値ＴＬ２に至る。なお、コントローラ３０は、負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達した場合には旋回用電動機２１を強制的に停止させる。

このように、加速トルク制限生成部３７は、内部メモリ等に予め記憶した参照テーブルを用いて現在の負荷率に対応する加速トルク制限値を導き出す。なお、加速トルク制限値は必ずしも負荷率に応じた一定の割合で減少する必要はなく、段階的に減少してもよく、非線形的に減少してもよい。

また、加速トルクの制限は、インバータ２０から旋回用電動機２１に流れるモータ駆動電流を抑制する効果をもたらす。その結果、旋回駆動系の発熱量を抑制してその負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達するのを抑制し或いは防止できる。

この構成により、コントローラ３０は、負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達した途端に加速トルクが急減するのを抑制し或いは防止することで、旋回に関する操作フィーリングの悪化を防止できる。また、コントローラ３０は、加速トルクが発生すると判定した場合に限りトルク電流指令値が加速トルク制限値で制限されるようにするため、旋回用電動機２１の減速トルクが制限されてしまうのを防止し、旋回の停止が遅れるのを防止できる。

速度制限生成部３８は、上部旋回体３の旋回速度の許容最大値としての速度制限値を生成する。本実施例では、速度制限生成部３８は、負荷率算出部３６が算出する負荷率に応じて速度制限値を生成し、生成した速度制限値を速度制限部３２に対して出力する。

また、速度制限生成部３８は、電流計Ｍ１の検出値（モータ駆動電流）及び温度センサの測定値（インバータ２０又は旋回用電動機２１の温度）に基づいて負荷率算出部３６が算出する複数の負荷率のそれぞれに応じて複数の速度制限値を生成し、それら複数の速度制限値の統計値（例えば最大値、最小値、平均値）を最終的な速度制限値として採用してもよい。

ここで、図５を参照し、速度制限生成部３８が生成する速度制限値について説明する。なお、図５は、速度制限値と負荷率との関係を定める参照テーブルの一例を示すグラフである。

図５に示すように、速度制限値は、負荷率算出部３６が算出する負荷率の値が所定の制限開始レベルＬＶｓに達するまでは所定値ＳＬ１で一定に推移する。なお、所定値ＳＬ１は、所定値ＴＬ１と同様、旋回駆動系の損傷を防止するために旋回駆動系の仕様に応じて決まる上限値である。したがって、所定値ＳＬ１の大きさによっては、負荷率が制限開始レベルＬＶｓ未満であっても速度制限値は必ずしも一定に推移する必要はない。そして、速度制限値は、負荷率が制限開始レベルＬＶｓを超えると負荷率に応じた一定の割合で減少し、負荷率が所定の過負荷レベルＬＶｅに達すると所定値ＳＬ２に至る。

このように、速度制限生成部３８は、内部メモリ等に予め記憶した参照テーブルを用いて現在の負荷率に対応する速度制限値を導き出す。なお、速度制限値は必ずしも負荷率に応じた一定の割合で減少する必要はなく、段階的に減少してもよく、非線形的に減少してもよい。

また、旋回速度の許容最大値の制限は、上部旋回体３の旋回を停止させるのに要する総減速トルク（減速開始時から停止時までの減速トルクの積分値）を抑える効果をもたらす。総減速トルクは、減速開始時の旋回速度が大きいほど大きいためである。その結果、上部旋回体３の旋回を停止させる際の旋回駆動系の発熱量を抑制してその負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達するのを抑制或いは防止できる。

以上の構成により、コントローラ３０は、加速トルクの制限と旋回速度の制限とを併用することで負荷率が過負荷レベルＬＶ２に達するのをより確実に抑制或いは防止できる。加速トルクを制限するだけでは上部旋回体３の旋回速度が所定値ＳＬ１に達するのを防止できず、所定値ＳＬ１で旋回する上部旋回体３を停止させる際に負荷率が過負荷レベルＬＶ２に達してしまう状況が起こり得るためである。また、旋回速度を制限するだけでは上部旋回体３の旋回速度が急加速するのを防止できず、上部旋回体３が急加速する際に負荷率が過負荷レベルＬＶ２に達してしまう状況が起こり得るためである。但し、本発明は、加速トルクのみを制限する構成、及び、旋回速度のみを制限する構成を排除することはない。

次に、図６を参照し、コントローラ３０が旋回駆動系の負荷率に応じて旋回用電動機２１の駆動を制限する処理（以下、「旋回制限処理」とする。）について説明する。なお、図６は、旋回制限処理の流れを示すフローチャートであり、コントローラ３０は、所定の制御周期で繰り返しこの旋回制限処理を実行する。

最初に、コントローラ３０の負荷率算出部３６は、旋回駆動系の負荷率を算出する（ステップＳ１）。本実施例では、負荷率算出部３６は、電流計Ｍ１の検出値に基づいて旋回駆動系の負荷率を算出する。

その後、コントローラ３０は、負荷率算出部３６が算出した負荷率が過負荷レベルＬＶｅ未満であるかを判定する（ステップＳ２）。

負荷率が過負荷レベルＬＶｅ未満であると判定した場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、負荷率が所定の制限開始レベルＬＶｓ以上であるかを判定する（ステップＳ３）。

負荷率が制限開始レベルＬＶｓ以上であると判定した場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、コントローラ３０の速度制限生成部３８は速度制限値を低減させる（ステップＳ４）。本実施例では、速度制限生成部３８は、内部メモリに予め記憶された参照テーブル（図５参照。）を参照し、負荷率算出部３６が算出した現在の負荷率に対応する速度制限値を導き出す。そして、速度制限生成部３８は、速度制限標準値ＳＬ１よりも小さいその速度制限値を速度制限部３２に対して出力する。その結果、旋回操作レバーのレバー操作量に応じて速度指令生成部３１が生成する速度指令値はその速度制限値以下に制限される。

その後、コントローラ３０は、加速トルクが発生するか否かを判定する（ステップＳ５）。本実施例では、コントローラ３０は、実旋回速度の正負符号と速度指令値の正負符号が同じで且つ実旋回速度が速度指令値よりもゼロに近いときに加速トルクが発生すると判定する。

加速トルクが発生すると判定した場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、コントローラ３０の加速トルク制限生成部３７は加速トルク制限値を低減させる（ステップＳ６）。本実施例では、加速トルク制限生成部３７は、内部メモリに予め記憶された参照テーブル（図４参照。）を参照し、負荷率算出部３６が算出した現在の負荷率に対応する加速トルク制限値を導き出す。そして、加速トルク制限生成部３７は、加速トルク制限標準値ＴＬ１よりも小さいその加速トルク制限値をトルク制限部３５に対して出力する。その結果、ＰＩ制御部３４が生成するトルク電流指令値はその加速トルク制限値以下に制限される。

また、コントローラ３０は、加速トルク制限生成部３７が加速トルク制限値を低減させた場合、その旨をショベルの操作者に通知する（ステップＳ７）。本実施例では、コントローラ３０は、車載スピーカ、車載ディスプレイ等の図示しない出力装置に対して制御指令を出力する。そして、加速トルク制限値を低減させたことを表す音声メッセージ、テキストメッセージ、ブザー等を出力させ、加速トルク制限値を低減させたことを操作者に通知する。通知を受けた操作者は、負荷率が増大していることを早期に認識し、負荷率が過度に増大する前にショベルを適切な状態に移行させることができる。なお、コントローラ３０は、速度制限生成部３８が速度制限値を低減させた旨を操作者に通知してもよい。

一方、加速トルクが発生しないと判定した場合（ステップＳ５のＮＯ）、コントローラ３０はトルク制限値を所定のトルク制限標準値未満に低減させることなく旋回駆動系を動作させ、所望の減速トルク又は保持トルクが出力されるようにする。すなわち、コントローラ３０は、負荷率が制限開始レベルＬＶｓ以上であると判定した場合であっても減速トルク及び保持トルクを所定のトルク制限標準値未満に制限することはない。なお、この場合のトルク制限標準値は、負荷率とは無関係に旋回減速中又は旋回保持中に採用される値を意味する。

また、負荷率が制限開始レベルＬＶｓ未満であると判定した場合（ステップＳ３のＮＯ）、コントローラ３０は、速度制限値を速度制限標準値ＳＬ１未満に低減させることなく、また、加速トルク制限値を加速トルク制限標準値ＴＬ１未満に低減させることもなく旋回駆動系を動作させ、所望の旋回トルクが出力されるようにする。

なお、負荷率が過負荷レベルＬＶｅ以上であると判定した場合には（ステップＳ２のＮＯ）、コントローラ３０は上部旋回体３の旋回を強制的に停止させる（ステップＳ８）。本実施例では、コントローラ３０は、旋回用電動機２１を停止させ、且つ、メカニカルブレーキ２３による制動力を発生させる。

なお、上述の旋回制限処理では速度制限値が決定された後でトルク制限値が決定されるが、トルク制限値が決定された後で速度制限値が決定されてもよく、速度制限値及びトルク制限値が同時並行的に決定されてもよい。

次に、図７を参照し、ショベルが旋回押し付け作業を行う際の各種物理量の時間的推移について説明する。なお、図７はショベルが旋回押し付け作業を行う際の各種物理量の時間的推移を示すグラフである。具体的には、図７（Ａ１）〜図７（Ｄ１）はコントローラ３０が旋回制限処理を実行しない場合の各種物理量の時間的推移を示し、図７（Ａ２）〜図７（Ｄ２）はコントローラ３０が旋回制限処理を実行する場合の各種物理量の時間的推移を示す。また、図７（Ａ１）及び図７（Ａ２）は旋回操作レバーのレバー操作量の時間的推移を示し、図７（Ｂ１）及び図７（Ｂ２）は速度指令値／実旋回速度の時間的推移を示す。また、図７（Ｃ１）及び図７（Ｃ２）はトルク電流指令値の時間的推移を示し、図７（Ｄ１）及び図７（Ｄ２）は負荷率の時間的推移を示す。なお、図７（Ａ１）及び図７（Ａ２）のそれぞれに示すレバー操作量の時間的推移は旋回制限処理の実行の有無にかかわらず同じである。

最初に、図７（Ａ１）〜図７（Ｄ１）を参照し、旋回押し付け作業中にコントローラ３０が旋回制限処理を実行しない場合の各種物理量の時間的推移について説明する。

図７（Ａ１）の実線で示すように旋回操作レバーが時刻ｔ１において傾倒されると、速度指令値は、図７（Ｂ１）の実線で示すように時刻ｔ１で増大し始め、時刻ｔ２で速度制限標準値ＳＬ１に至る。一方で、実旋回速度は、図７（Ｂ１）の点線で示すように、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間で僅かに増大するが、その後は略ゼロのまま推移する。旋回押し付け作業のため、旋回トルクを発生させたとしても上部旋回体３が旋回しないためである。したがって、速度指令値と実旋回速度の偏差Ｄは比較的大きな値を維持したまま推移する。

トルク電流指令値は、図７（Ｃ１）の実線で示すように、時刻ｔ１で増大し始め、時刻ｔ２で加速トルク制限標準値ＴＬ１に至る。また、時刻ｔ２以降も速度指令値と実旋回速度の偏差Ｄが比較的大きな値で推移するため、トルク電流指令値は加速トルク制限標準値ＴＬ１のまま推移する。すなわち、インバータ２０は、比較的大きなモータ駆動電流を旋回用電動機２１に供給し続ける。

負荷率は、図７（Ｄ１）の実線で示すように、速度指令値及びトルク電流指令値の立ち上がりから僅かに遅れて立ち上がり、その後もモータ駆動電流の供給が継続されるために増大し続ける。そして、負荷率は時刻ｔ３において過負荷レベルＬＶｅに達する。

コントローラ３０は、負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達すると、速度指令値及びトルク電流指令値をゼロにし、インバータ２０による旋回用電動機２１へのモータ駆動電流の供給を停止させる。

このように、旋回押し付け作業中に旋回制限処理を実行しない場合、コントローラ３０は、負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達したときに、旋回駆動系の保護のため旋回用電動機２１の駆動を強制的に停止させ、且つ、メカニカルブレーキ２３により上部旋回体３の旋回を阻止する。そのため、操作者は旋回駆動系の温度が所定温度未満に低下するまでは上部旋回体３を旋回させることができなくなる。

次に、図７（Ａ２）〜図７（Ｄ２）を参照し、旋回押し付け作業中にコントローラ３０が旋回制限処理を実行する場合の各種物理量の時間的推移について説明する。なお、時刻ｔ２までの各種物理量の時間的推移は、図７（Ａ１）から図７（Ｄ１）に示す時間的推移と同じであるため説明を省略する。

旋回制限処理を実行する場合、コントローラ３０は、図７（Ｄ２）の実線で示すように時刻ｔ１０において負荷率が制限開始レベルＬＶｓに達すると、加速トルクが発生するか否かを判定する。この場合、コントローラ３０は、図７（Ｂ２）に示すように速度指令値の正負符号と実旋回速度の正負符号が同じで且つ実旋回速度が速度指令値よりもゼロに近いために加速トルクが発生すると判定する。そして、コントローラ３０は、図７（Ｃ２）の実線で示すように加速トルク制限値を加速トルク制限標準値ＴＬ１未満に低減させる。加速トルク制限値の低減は、旋回用電動機２１に関するモータ駆動電流の低減をもたらす。そのため、インバータ２０及び旋回用電動機２１のそれぞれの温度の上昇を抑制する効果、すなわち、負荷率の増加を抑制する効果をもたらす。なお、負荷率はモータ駆動電流による発熱量が冷却回路による冷却熱量を上回る限り減少することはない。したがって、加速トルク制限値は、図７（Ｃ２）の実線で示すように時間に対する減少率を低下させながら徐々に減少する。一方で、負荷率は、図７（Ｄ２）の実線で示すように時間に対する増加率を低下させながら徐々に増加する。

この構成により、コントローラ３０は、旋回操作レバーが同じレバー操作量で操作され続けたとしてもインバータ２０に対して出力されるトルク電流指令値を加速トルク制限値に沿って緩やかに（連続的に）減少させることができる。そのため、旋回制限処理を実行しない場合に負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達したときのようにトルク電流指令値を急減させてしまうのを防止できる。その結果、加速トルクの急変に起因するショックを発生させて操作者に違和感を与えてしまうのを防止できる。

また、コントローラ３０は、負荷率の増加に応じて加速トルク制限値を減少させることで負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達してしまうのを抑制或いは防止できる。そのため、旋回制限処理を実行しない場合に負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達したときのように旋回用電動機２１が強制的に停止させられてショベルの連続運転が不可能になるといった状況が発生するのを抑制或いは防止できる。

同様に、コントローラ３０は、図７（Ｄ２）の実線で示すように時刻ｔ１０において負荷率が制限開始レベルＬＶｓに達すると、図７（Ｂ２）の実線で示すように速度制限値を速度制限標準値ＳＬ１未満に低減させる。また、速度制限値は負荷率が増加するにつれて減少する。具体的には、図７（Ｂ２）の実線で示すように時間に対する減少率を低下させながら徐々に減少する。

この構成により、コントローラ３０は、上部旋回体３の許容最大旋回速度を制限することができ、上部旋回体３を停止させるのに必要な総減速トルクが過度に大きくなるのを抑制し或いは防止できる。そのため、加速トルクを制限したときのように減速トルクを制限しなくとも、旋回減速中に負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達するのを防止しながら、上部旋回体３の旋回を停止させることができる。また、減速トルクを制限しないため、上部旋回体３の旋回を停止させるまでの旋回角度が過度に大きくなるのを防止できる。なお、コントローラ３０は、減速トルクを制限せずに上部旋回体３の旋回を停止させようとした結果、負荷率が過負荷レベルＬＶｅに達した場合には、メカニカルブレーキ２３を作動させて上部旋回体３の旋回を機械的に停止させる。

次に、図８を参照し、旋回用電動機２１の旋回角速度ω、旋回エネルギＥ、及び旋回トルクτの関係について説明する。なお、図８は、上部旋回体３を旋回させ且つ停止させる際の旋回角速度ω、旋回エネルギＥ、及び旋回トルクτの時間的推移を示す図である。具体的には、図８（Ａ）が旋回用電動機２１の旋回角速度ωの時間的推移を示し、図８（Ｂ）が旋回エネルギＥの時間的推移を示し、図８（Ｃ）が旋回トルクτの時間的推移を示す。また、図８の実線で示す推移は旋回制限処理が実行されない場合の各種物理量の推移を示す。また、図８の破線で示す推移は、旋回制限処理が実行される場合、すなわち、旋回制限処理によって速度制限値が速度制限標準値ＳＬ１未満に低減され、且つ、加速トルク制限値が加速トルク制限標準値ＴＬ１未満に低減される場合の各種物理量の推移を示す。

また、旋回エネルギＥ及び旋回トルクτは以下の式で表される。なお、Ｊは上部旋回体３の慣性モーメントを表す。また、τ_０（ω）は摩擦損失等に抗して一定の旋回角速度ωを維持するのに必要な旋回トルクを表し、維持すべき旋回用電動機２１の旋回角速度ωが大きいほど大きい。

旋回制限処理が実行される場合、すなわち、速度制限値及び加速トルク制限値が標準値未満に低減される場合、時刻ｔａにおいて旋回操作レバーが操作されると、図８（Ｃ）の破線で示すように、旋回トルク（加速トルク）τは時刻ｔａで増大し始め、時刻ｔｂで現在の加速トルク制限値に対応する値τ２となるまで増大する。その後、時刻ｔｄで旋回角速度ωが現在の速度制限値に対応する値ω２に達するまで（図８（Ａ）の破線参照。）、旋回トルク（加速トルク）τは値τ２のまま推移する。旋回トルク（加速トルク）τが値τ２のまま推移する時刻ｔｂから時刻ｔｄまでの期間では、上述の（２）式から分かるように、旋回角速度ωは一定の旋回角加速度で増大する。

時刻ｔｄで旋回角速度ωが値ω２に達すると、旋回トルク（加速トルク）τは、現在の旋回角速度ω２を維持するために最低限必要な値τ３ｂ（＝τ_０（ω２））まで低減される（（２）式参照。）。

その後、旋回トルク（減速トルク）τは、時刻ｔｈで上部旋回体３の旋回を停止させるために、時刻ｔｇにおいて減速トルク制限標準値に対応する値τ４とされる。そのため、旋回角速度ωは時刻ｔｇで減少し始め、時刻ｔｈで値ゼロに至る。

一方、旋回制限処理が実行されない場合、時刻ｔａにおいて旋回操作レバーが操作されると、図８（Ｃ）の実線で示すように、旋回トルク（加速トルク）τは時刻ｔａで増大し始め、時刻ｔｃで加速トルク制限標準値ＴＬ１に対応する値τ１となるまで増大する。その後、時刻ｔｅで旋回角速度ωが速度制限標準値ＳＬ１に対応する値ω１に達するまで（図８（Ａ）の実線参照。）、旋回トルク（加速トルク）τは値τ１のまま推移する。旋回トルク（加速トルク）τが値τ１のまま推移する時刻ｔｃから時刻ｔｅの期間では、上述の（２）式から分かるように、旋回角速度ωは一定の旋回角加速度で増大する。

時刻ｔｅで旋回角速度ωが値ω１に達すると、旋回トルク（加速トルク）τは、現在の旋回角速度ω１を維持するために最低限必要な値τ３ａ（＝τ_０（ω１）＞τ３ｂ（＝τ_０（ω２）））まで低減される（（２）式参照。）。

その後、旋回トルク（減速トルク）τは、時刻ｔｈで上部旋回体３の旋回を停止させるために、時刻ｔｆにおいて減速トルク制限標準値に対応する値τ４とされる。そのため、旋回角速度ωは時刻ｔｆで減少し始め、時刻ｔｈで値ゼロに至る。

ここで、旋回制限処理が実行される場合と実行されない場合とを比較すると、図８（Ａ）に示すように旋回角速度ωの最大値を約３分の２（≒ω２／ω１）に制限することで、図８（Ｂ）に示すように旋回エネルギＥの最大値が約２分の１（≒Ｅ２／Ｅ１）に制限され、その結果、図８（Ｃ）に示すように、制動時間がＤ１からＤ２に短縮されることが分かる。

以上の構成により、コントローラ３０は、旋回用電動機２１及びインバータ２０の少なくとも一方の温度が高いほど旋回用電動機２１の加速トルクの上限を低減させる。具体的には、旋回用電動機２１及びインバータ２０の少なくとも一方の温度が高いほど、すなわち、旋回駆動系の負荷率が大きいほど加速トルク制限値を低減させる。そのため、コントローラ３０は、旋回押し付け作業等により負荷率が継続的に増大する場合であっても、負荷率の増大を緩やかにすることができる。また、コントローラ３０は、トルク電流指令値を緩やかに低減させることができ、加速トルクの急減に起因するショックを防止しながら、旋回用電動機２１の旋回トルクをより適切に制限できる。

また、コントローラ３０は、旋回用電動機２１及びインバータ２０の少なくとも一方の温度が上昇するにつれて増加する負荷率を算出し、その負荷率の増加に応じて旋回用電動機２１の加速トルクの上限を低減させる。そして、旋回用電動機２１の加速トルクが上限で推移する状態が継続するほど負荷率の時間に対する増加率を逓減させる。そのため、負荷率が過負荷レベルに達するのを抑制し或いは防止することができる。

また、旋回用電動機２１及びインバータ２０の少なくとも一方の温度は、旋回用電動機２１を流れる電流の積算値から推定される。そのため、コントローラ３０は、旋回用電動機２１及びインバータ２０の温度を直接測定しなくとも、旋回用電動機２１に関するモータ駆動電流の積算値から旋回用電動機２１及びインバータ２０の温度を推定でき、推定した温度に基づいて旋回用電動機２１の旋回トルクを適切に制限できる。

また、コントローラ３０は、旋回用電動機２１及びインバータ２０の少なくとも一方の温度が高いほど旋回用電動機２１の許容最大旋回速度を低減させる。そのため、コントローラ３０は、許容最大旋回速度で旋回している上部旋回体３を停止させる場合の総減速トルクを抑制することができる。その結果、コントローラ３０は、減速トルクを制限しなくとも、旋回減速中に負荷率が過負荷レベルに達するのを抑制或いは防止しながら上部旋回体３を適切に停止させることができる。

また、コントローラ３０は、旋回押し付け作業中に加速トルクを制限することで旋回用電動機２１の過熱を防止できると共に、土砂等の押し付け対象が押し退けられて旋回負荷が急減した場合に上部旋回体３が急加速することを防止できる。また、コントローラ３０は、旋回速度も制限しているため、土砂等の押し付け対象が押し退けられて旋回負荷が急減した場合に上部旋回体３の旋回速度が過度に大きくなることを防止できる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例において、コントローラ３０は速度制限生成部３８を含むが、速度制限生成部３８は省略されてもよい。この場合、速度制限部３２は、上述の実施例において加速トルクが発生しないと判定された場合と同様、負荷率の変動とは無関係に設定される速度制限値を用いて速度指令値をその速度制限値以下に制限してもよい。

１・・・下部走行体２Ａ、２Ｂ・・・走行用油圧モータ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・・・蓄電装置１９ａ・・・昇降圧コンバータ１９ｂ・・・ＤＣバス２０・・・インバータ２１・・・旋回用電動機２１Ａ・・・出力軸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３１・・・速度指令生成部３２・・・速度制限部３３・・・減算器３４・・・ＰＩ制御部３５・・・トルク制限部３６・・・負荷率算出部３７・・・加速トルク制限生成部３８・・・速度制限生成部１２０・・・蓄電系Ｍ１・・・電流計

Claims

下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体を旋回させる旋回用電動機と、
前記旋回用電動機を駆動するインバータと、
前記インバータを制御するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、前記旋回用電動機及び前記インバータの少なくとも一方の負荷率が高いほど前記旋回用電動機の加速トルクの上限を低減させ、
前記負荷率は、前記旋回用電動機と前記インバータとの間を流れる電流の値が大きいほど増加する、
建設機械。
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体を旋回させる旋回用電動機と、
前記旋回用電動機を駆動するインバータと、
前記インバータを制御するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、前記旋回用電動機及び前記インバータの少なくとも一方の負荷率が高いほど前記旋回用電動機の加速トルクの上限を低減させ、
前記負荷率は、前記旋回用電動機及び前記インバータの少なくとも一方の温度が上昇するにつれて増加する、
建設機械。
前記コントローラは、前記旋回用電動機及び前記インバータの少なくとも一方の前記負荷率が高いほど前記上部旋回体の許容最大旋回速度を低減させる、
請求項１又は２に記載の建設機械。
前記コントローラは、前記加速トルクの上限を低減させた場合、前記加速トルクの上限を低減させたことを建設機械の操作者に通知する、
請求項１乃至３の何れか一項に記載の建設機械。
前記コントローラは、減速トルクを制限しない、
請求項１乃至４の何れか一項に記載の建設機械。