JP7479122B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械に関する。

例えば、油圧ポンプの駆動用等の電動機を備える作業機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３－０２８９６２号公報

ところで、電動機の回転角を検出するセンサを搭載する代わりに、電動機の電流値及び電圧値から回転角を推定しながら電動機を制御するセンサレス制御技術が作業機械に適用される場合がある。この場合、電動機の電圧を検出するセンサを用いず、制御過程で生成される電圧指令値を電動機の実際の電圧値の代わりに利用して電動機の回転角が推定される場合がある。

しかしながら、電動機の実際の電圧値と電圧指令値との間には、インバータのデッドタイムによる誤差（以下、「デッドタイム誤差」）が含まれる。特に、電動機の電圧が非常に小さい場合（つまり、電動機の低負荷時）において、デッドタイム誤差の影響が相対的に顕著になる。そのため、電動機の回転角の推定値が実際の回転角と相対的に大きくずれて、電動機を適切に制御できない可能性がある。

そこで、上記課題に鑑み、電圧指令値を用いて電動機の回転角の推定を行うセンサレス制御技術が採用される場合に、インバータのデッドタイムの影響を抑制することが可能な作業機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一実施形態では、
電動機と、
前記電動機を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記電動機が相対的に速度の低い低速状態となることで、前記電動機の電圧が所定基準に対して相対的に小さくなった場合、前記電動機が出力するべき、トルク指令値に対応するトルクを維持させながら、前記電動機のｄ軸電流を相対的に大きくなるように、且つ、ｑ軸電流を相対的に小さくなるように制御する、
作業機械が提供される。

上述の実施形態によれば、電圧指令値を用いて電動機の回転角の推定を行うセンサレス制御技術が採用される場合に、インバータのデッドタイムの影響を抑制することが可能な作業機械を提供することができる。

一実施形態に係るショベルの側面図である。 一実施形態に係るショベルの構成の一例を概略的に示すブロック図である。 高速・高負荷状態及び低速・低負荷状態の双方における電動発電機の電流状態を説明する図である。 インバータによる電動発電機に関する制御処理の一例を概略的に示すフローチャートである。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。

［ショベルの概要］
まず、図１を参照して、作業機械の一例としてのショベルの概要を説明する。

図１は、本実施形態に係るショベルの一例を示す側面図である。

本実施形態に係るショベル（作業機械の一例）は、下部走行体１と、旋回機構２を介して旋回可能に下部走行体１に搭載される上部旋回体３と、作業装置としてのブーム４、アーム５、及びバケット６と、オペレータが搭乗するキャビン１０を備える。

下部走行体１は、例えば、左右一対のクローラを含み、それぞれのクローラが走行油圧モータ１Ａ，１Ｂ（図２参照）で油圧駆動されることにより、自走する。

上部旋回体３は、後述する旋回用電動機２１（図２参照）により電気駆動されることにより、下部走行体１に対して旋回する。

ブーム４は、上部旋回体３の前部中央に俯仰可能に枢着され、ブーム４の先端には、アーム５が上下回動可能に枢着され、アーム５の先端には、バケット６が上下回動可能に枢着される。ブーム４、アーム５、及びバケット６は、それぞれ、油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９により油圧駆動される。

キャビン１０は、上部旋回体３の前部左側に搭載され、その内部には、オペレータが着座する操縦席や後述する操作装置２６等が設けられる。

［ショベルの構成］
次に、図１に加えて、図２を参照して、本実施形態に係るショベルの構成について説明する。

図２は、本実施形態に係るショベルの駆動系を中心とする構成の一例を示すブロック図である。

尚、図中にて、機械的動力ラインは二重線、高圧油圧ラインは太い実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御ラインは細い実線でそれぞれ示される。

＜ショベルの油圧駆動系＞
本実施形態に係る油圧駆動系は、上述の如く、各種の被駆動要素を駆動する油圧アクチュエータが含まれる。油圧アクチュエータには、下部走行体１（つまり、左右のクローラ）、ブーム４、アーム５、及びバケット６のそれぞれを油圧駆動する走行油圧モータ１Ａ，１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９等を含む。本実施形態に係るショベルの油圧駆動系は、エンジン１１と、減速機１３と、メインポンプ１４と、コントロールバルブ１７を含む。

エンジン１１は、油圧駆動系におけるメイン動力源であり、上部旋回体３の後部に搭載される。エンジン１１は、後述するエンジンコントローラ（ＥＣＭ：Engine Control Module）３０Ｃの制御下で、所定の目標回転数で定回転する。エンジン１１は、例えば、軽油を燃料とするディーゼルエンジンであり、減速機１３を介してメインポンプ１４、パイロットポンプ１５を駆動する。また、エンジン１１は、減速機１３を介して電動発電機１２を駆動し、電動発電機１２に発電させる。

減速機１３は、例えば、上部旋回体３の後部に搭載され、エンジン１１及び後述する電動発電機１２が接続される２つの入力軸と、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が直列に同軸接続される１つの出力軸を有する。減速機１３は、エンジン１１及び電動発電機１２の動力を所定の減速比でメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５に伝達することができる。また、減速機１３は、エンジン１１の動力を所定の減速比で、電動発電機１２とメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５とに分配して伝達することができる。

メインポンプ１４（油圧ポンプの一例）は、上部旋回体３の後部に搭載され、高圧油圧ライン１６を通じてコントロールバルブ１７に作動油を供給する。メインポンプ１４は、エンジン１１、或いは、エンジン１１及び電動発電機１２により駆動される。メインポンプ１４は、例えば、可変容量式油圧ポンプであり、後述するショベルコントローラ３０Ａの制御下で、レギュレータ（不図示）が斜板の角度（傾転角）を制御する。これにより、メインポンプ１４は、ピストンのストローク長を調整し、吐出流量（吐出圧）を制御することができる。

コントロールバルブ１７は、上部旋回体３の中央部に搭載され、オペレータによる操作装置２６に対する操作に応じて、油圧駆動系の制御を行う油圧制御装置である。コントロールバルブ１７は、上述の如く、高圧油圧ライン１６を介してメインポンプ１４と接続され、メインポンプ１４から供給される作動油を、油圧アクチュエータとしての走行油圧モータ１Ａ（右用），１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に供給可能に構成される。具体的には、コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４から油圧アクチュエータのそれぞれに供給される作動油の流量と流れる方向を制御する複数の油圧制御弁（方向切換弁）を含むバルブユニットである。

＜ショベルの電気駆動系＞
本実施形態に係るショベルの電気駆動系は、電動発電機１２と、電流センサ１２ｓ１と、電圧センサ１２ｓ２と、インバータ１８Ａを含む。また、本実施形態に係るショベルの電気駆動系は、旋回用電動機２１と、電流センサ２１ｓと、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回減速機２４と、インバータ１８Ｂを含む。

電動発電機１２（電動機の一例）は、油圧駆動系に対するアシスト動力源であり、上部旋回体３の後部に搭載される。電動発電機１２は、例えば、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。また、電動発電機１２には、所定のセンサ、具体的には、回転軸の回転角を検出するセンサ（例えば、ロータリエンコーダやレゾルバ等）が未搭載である。電動発電機１２は、インバータ１８Ａを介してキャパシタ１９を含む蓄電系１２０や旋回用電動機２１と接続される。電動発電機１２は、インバータ１８Ａを介してキャパシタ１９や旋回用電動機２１から供給される三相交流電力で力行運転し、エンジン１１をアシストする態様で、減速機１３を介してメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５を駆動する。また、電動発電機１２は、エンジン１１により駆動されることにより発電運転を行い、発電電力をキャパシタ１９や旋回用電動機２１に供給することができる。電動発電機１２の力行運転と発電運転との切替制御は、後述するハイブリッドコントローラ（以下、「ＨＢコントローラ」）３０Ｂの制御下で、インバータ１８Ａにより実現されてよい。

電流センサ１２ｓ１は、電動発電機１２の三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のそれぞれの電流を検出する。電流センサ１２ｓ１は、例えば、電動発電機１２とインバータ１８Ａの間の電力経路に設けられる。電流センサ１２ｓ１により検出される旋回用電動機２１の三相それぞれの電流に対応する検出信号は、一対一の通信線やＣＡＮ（Controller Area Network）等の車載ネットワークを通じて、直接的に、インバータ１８Ａに取り込まれる。また、当該検出信号は、一対一の通信線やＣＡＮ等の車載ネットワークを通じて、ＨＢコントローラ３０Ｂに取り込まれ、ＨＢコントローラ３０Ｂ経由で、インバータ１８Ａに入力されてもよい。

インバータ１８Ａ（制御装置の一例）は、ＨＢコントローラ３０Ｂの制御下で、電動発電機１２を駆動制御する。インバータ１８Ａは、例えば、直流電力を三相交流電力に変換したり、三相交流電力を直流電力に変換したりする変換回路と、変換回路をスイッチ駆動する駆動回路と、駆動回路の動作を規定する制御信号（例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号）を出力する制御回路を含む。

具体的には、インバータ１８Ａの制御回路は、電流センサ１２ｓ１の検出信号（つまり、電動発電機１２の電流測定値）と電動発電機１２の電圧指令値Ｖｃｏｍとに基づき、逐次、電動発電機１２の回転軸の回転角等を推定してよい。例えば、当該制御回路は、既知の拡張誘起電圧（ＥＥＦＭ：Extended Electromotive Force）モデルに基づき、電動発電機１２の回転軸の回転角や回転速度等を推定する。また、当該制御回路は、電動発電機１２の電圧指令値Ｖｃｏｍと、実際の電動発電機１２の電圧値との間のデッドタイム誤差を補償する既知のデッドタイム補償を行いながら、電動発電機１２の回転角や回転速度等を推定する。そして、当該制御回路は、逐次導出される回転角や回転速度の推定値に基づき、電動発電機１２の動作状態を把握しながら、電動発電機１２の駆動制御（以下、「センサレス制御」）を行ってよい。これにより、電動発電機１２には、回転角や回転位置を検出するセンサ（例えば、ロータリエンコーダ等）が設けられる必要が無い。そのため、センサを削減することができ、ショベルのコストを抑制することができると共に、センサの汚れ等による検出不良を抑制することができる。また、センサレス制御において、電動発電機１２の電圧測定値の代わりに、電圧指令値Ｖｃｏｍが用いられるため、更にセンサを削減することができ、ショベルのコストを抑制したり、センサの汚れによる検出不良等を抑制したりすることができる。

尚、インバータ１８Ａの駆動回路及び制御回路の少なくとも一方は、インバータ１８Ａの外部（例えば、ＨＢコントローラ３０Ｂ（制御装置の一例））に設けられてもよい。

旋回用電動機２１は、下部走行体１と上部旋回体３との間を接続する旋回機構２に設けられ、ＨＢコントローラ３０Ｂの制御下で、上部旋回体３を旋回駆動する力行運転、及び回生電力を発生させて上部旋回体３を旋回制動する回生運転を行う。旋回用電動機２１は、インバータ１８Ｂを介して蓄電系１２０に接続され、インバータ１８Ｂを介してキャパシタ１９や電動発電機１２から供給される三相交流電力により駆動される。また、旋回用電動機２１は、インバータ１８Ｂを介して、回生電力をキャパシタ１９や電動発電機１２に供給する。これにより、回生電力で、キャパシタ１９を充電したり、電動発電機１２を駆動したりすることができる。旋回用電動機２１の力行運転と回生運転との切替制御は、ＨＢコントローラ３０Ｂの制御下で、インバータ１８Ｂにより実現されてよい。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。

電流センサ２１ｓは、旋回用電動機２１の三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のそれぞれの電流を検出する。電流センサ２１ｓは、例えば、旋回用電動機２１とインバータ１８Ｂの間の電力経路に設けられる。電流センサ２１ｓにより検出される、旋回用電動機２１の三相それぞれの電流に対応する検出信号は、一対一の通信線やＣＡＮ等の車載ネットワークを通じて、直接的に、インバータ１８Ｂに取り込まれてよい。また、当該検出信号は、一対一の通信線やＣＡＮ等の車載ネットワークを通じて、ＨＢコントローラ３０Ｂに取り込まれ、ＨＢコントローラ３０Ｂ経由で、インバータ１８Ｂに入力されてもよい。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転位置（回転角）等を検出する。レゾルバ２２により検出された回転角に対応する検出信号は、一対一の通信線やＣＡＮ等の車載ネットワーク等を通じて、直接的に、インバータ１８Ｂに取り込まれてよい。また、当該検出信号は、一対一の通信線やＣＡＮ等の車載ネットワークを通じて、ＨＢコントローラ３０Ｂに取り込まれ、ＨＢコントローラ３０Ｂ経由でインバータ１８Ｂに入力されてもよい。

メカニカルブレーキ２３は、ＨＢコントローラ３０Ｂの制御下で、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａに対して、機械的に制動力を発生させる。これにより、メカニカルブレーキ２３は、上部旋回体３の旋回制動を行ったり、上部旋回体３の停止状態を維持させたりすることができる。

旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａと接続され、旋回用電動機２１の出力（トルク）を所定の減速比で減速させることにより、トルクを増大させて、上部旋回体３を旋回駆動する。即ち、力行運転の際、旋回用電動機２１は、旋回減速機２４を介して、上部旋回体３を旋回駆動する。また、旋回減速機２４は、上部旋回体３の慣性回転力を増速させて旋回用電動機２１に伝達し、回生電力を発生させる。即ち、回生運転の際、旋回用電動機２１は、旋回減速機２４を介して伝達される上部旋回体３の慣性回転力により回生発電を行い、上部旋回体３を旋回制動する。

インバータ１８Ｂは、ＨＢコントローラ３０Ｂの制御下で、旋回用電動機２１を駆動制御する。インバータ１８Ｂは、例えば、直流電力を三相交流電力に変換したり、三相交流電力を直流電力に変換したりする変換回路と、変換回路をスイッチ駆動する駆動回路と、駆動回路の動作を規定する制御信号（例えば、ＰＷＭ信号）を出力する制御回路を含む。

具体的には、インバータ１８Ｂの制御回路は、電流センサ２１ｓ及びレゾルバ２２の検出信号に基づき、旋回用電動機２１に関する速度フィードバック制御及びトルクフィードバック制御を行う。

＜ショベルの蓄電系＞
本実施形態に係るショベルの蓄電系１２０は、キャパシタ１９と、昇降圧コンバータ１００と、ＤＣバス１１０を含む。蓄電系１２０は、例えば、電気駆動系のインバータ１８Ａ，１８Ｂと共に、上部旋回体３の右側前部に搭載される。

キャパシタ１９は、電動発電機１２や旋回用電動機２１に電力を供給すると共に、電動発電機１２や旋回用電動機２１の発電電力を充電する蓄電装置の一例である。また、キャパシタ１９と昇降圧コンバータ１００を含む負荷側のメイン回路との間を遮断するリレー（以下、「遮断リレー」）が設けられる。これにより、キャパシタ１９は、ショベルの停止時やショベルの異常時（例えば、転倒等の事故発生時）に、ＨＢコントローラ３０Ｂによる制御下で、メイン回路と切り離される。そのため、オペレータの不在時の異常や、オペレータの在席時の異常に起因して、キャパシタ１９に非常に大きな短絡電流が流れるような事態を抑制することができる。遮断リレーは、例えば、キャパシタ１９と昇降圧コンバータ１００との間の正極側及び負極側の双方の電力経路に設けられる。

昇降圧コンバータ１００は、キャパシタ１９の電力を昇圧し、ＤＣバス１１０に出力したり、ＤＣバス１１０に供給される電力を降圧し、キャパシタ１９に蓄電させたりする。昇降圧コンバータ１００は、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１１０の電圧値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。昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス１１０の電圧検出値、キャパシタ１９の電圧検出値、及びキャパシタ１９の電流検出値に基づき、ＨＢコントローラ３０Ｂにより実現されてよい。

ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ，１８Ｂと昇降圧コンバータ１００との間に設けられ、キャパシタ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制御する。

＜ショベルの操作系＞
また、本実施形態に係るショベルの操作系は、パイロットポンプ１５、操作装置２６、圧力センサ２９等を含む。

パイロットポンプ１５は、上部旋回体３の後部に搭載され、パイロットライン２５を介して操作装置２６にパイロット圧を供給する。パイロットポンプ１５は、例えば、固定容量式油圧ポンプであり、エンジン１１、或いはエンジン１１及び電動発電機１２により駆動される。

操作装置２６は、例えば、レバー２６Ａ，２６Ｂと、ペダル２６Ｃを含む。操作装置２６は、キャビン１０の操縦席付近に設けられ、オペレータがそれぞれの被駆動要素（例えば、下部走行体１、上部旋回体３、ブーム４、アーム５、及びバケット６等）の操作を行うための操作入力手段である。換言すれば、操作装置２６は、それぞれの被駆動要素を駆動する油圧アクチュエータ（例えば、走行油圧モータ１Ａ，１Ｂ、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）や電動アクチュエータ（旋回用電動機２１等）の操作を行うための操作入力手段である。操作装置２６（レバー２６Ａ，２６Ｂ、及びペダル２６Ｃ）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。これにより、コントロールバルブ１７には、操作装置２６における下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６等の操作状態に応じたパイロット信号（パイロット圧）が入力される。そのため、コントロールバルブ１７は、操作装置２６における操作状態に応じて、各油圧アクチュエータを駆動することができる。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。

尚、操作装置２６は、電気式であってもよい。この場合、図において、圧力センサ２９は、電気式の操作装置２６に置換され、油圧パイロット式の操作装置２６は、ショベルコントローラ３０Ａからの制御指令に応じて作動する比例弁に置換される。電気式の操作装置２６は、その操作内容（例えば、操作方向及び操作量）に対応する電気信号を出力し、電気信号は、ショベルコントローラ３０Ａに取り込まれる。そして、ショベルコントローラ３０Ａは、操作装置２６から入力される電気信号に対応する制御指令、つまり、操作装置２６の操作内容に対応する制御指令を比例弁に出力する。これにより、コントロールバルブ１７には、比例弁から操作装置２６の操作内容に応じたパイロット圧が入力される。

圧力センサ２９は、上述の如く、油圧ライン２８を介して操作装置２６と接続され、操作装置２６の二次側のパイロット圧、即ち、操作装置２６における各動作要素の操作状態に対応するパイロット圧を検出する。圧力センサ２９は、ショベルコントローラ３０Ａに接続され、操作装置２６における下部走行体１、上部旋回体３、ブーム４、アーム５、及びバケット６等の操作状態に応じた圧力信号（圧力検出値）は、ショベルコントローラ３０Ａに取り込まれる。

＜ショベルの制御系＞
本実施形態に係るショベルの制御系は、制御装置３０と、スタータモータ１１ｓｔを含む。

制御装置３０は、ショベルコントローラ３０Ａと、ＨＢコントローラ３０Ｂと、エンジンコントローラ３０Ｃを含む。

ショベルコントローラ３０Ａ、ＨＢコントローラ３０Ｂ、及びエンジンコントローラ３０Ｃ等は、それぞれの機能が任意のハードウェア、或いは、ハードウェア及びソフトウェアの組み合わせにより実現されてよい。例えば、ショベルコントローラ３０Ａ、ＨＢコントローラ３０Ｂ、及びエンジンコントローラ３０Ｃ等は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリ装置（主記憶装置）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性の補助記憶装置と、Ｉ／Ｏ（Input-Output）インタフェース装置等を含むマイクロコンピュータを中心に構成されてよい。

ショベルコントローラ３０Ａは、ＨＢコントローラ３０Ｂ及びエンジンコントローラ３０Ｃを含む各種コントローラと連携し、ショベルに関する各種制御を行う。例えば、ショベルコントローラ３０Ａは、ＨＢコントローラ３０Ｂ及びエンジンコントローラ３０Ｃ等の各種コントローラとの双方向通信に基づき、ショベル全体（ショベルに搭載される各種機器）の動作を統合的に制御してよい。

ＨＢコントローラ３０Ｂは、ショベルコントローラ３０Ａから入力される各種情報（例えば、操作装置２６の操作状態に対応する圧力センサ２９の検出値等）に基づき、電気駆動系の駆動制御を行う。例えば、ＨＢコントローラ３０Ｂは、圧力センサ２９により検出される、操作装置２６の操作状態に対応する検出値に基づき、インバータ１８Ａを駆動し、電動発電機１２の運転状態（力行運転及び発電運転）の切替制御を行う。また、例えば、ＨＢコントローラ３０Ｂは、圧力センサ２９により検出される、操作装置２６の操作状態に対応する検出値に基づき、インバータ１８Ｂを駆動し、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転及び回生運転）の切替制御を行う。また、例えば、ＨＢコントローラ３０Ｂは、圧力センサ２９により検出される、操作装置２６の操作状態に対応する検出値に基づき、昇降圧コンバータ１００を駆動し、昇降圧コンバータ１００の昇圧運転と降圧運転、換言すれば、キャパシタ１９の放電状態と充電状態との切替制御を行う。

エンジンコントローラ３０Ｃは、ショベルコントローラ３０Ａから入力される各種情報（例えば、エンジン１１の設定回転数やエンジン１１の設定回転数に対応するショベルの運転モード等を含む制御指令）に基づき、エンジン１１の駆動制御を行う。具体的には、エンジンコントローラ３０Ｃは、制御対象のスタータモータ１１ｓｔやエンジン１１の燃料噴射装置等のアクチュエータに制御指令を出力することで、エンジン１１の駆動制御を実現する。

スタータモータ１１ｓｔは、図示しない補機バッテリ（例えば、鉛蓄電池）からの電力で作動し、エンジンコントローラ３０Ｃの制御下で、エンジン１１のクランクシャフトを強制的に回転させ、エンジン１１を始動させる。具体的には、スタータモータ１１ｓｔは、電動発電機１２の場合ように、回転数や回転位置等に関する詳細な制御はなされず、電動発電機１２よりも相対的に小さい助勢度でエンジン１１をアシストすることで、エンジン１１を始動させる。

［電動発電機の制御方法の詳細］
次に、図３を参照して、インバータ１８Ａ（制御回路）による電動発電機１２の制御方法の詳細について説明する。

図３は、回転速度が相対的に高い高速状態や負荷が相対的に高い高負荷状態（以下、統括的に「高速・高負荷状態」）及び回転速度が相対的に低い低速状態や負荷が相対的に低い低負荷状態（以下、統括的に「低速・低負荷状態」）の双方における電動発電機１２の電流状態を説明する図である。具体的には、図３は、電動発電機１２の高速・高負荷状態及び低速・低負荷状態の双方におけるｄｑ軸の電流ベクトル（以下、単に「電流ベクトル」）（グラフ３１０）、低速状態及び高速状態の双方における電動発電機１２の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流（以下、「相電流」）の時間変化（グラフ３２０）を示す図である。

グラフ３１０において、電流ベクトル３１２は、電動発電機１２の高速・高負荷状態を表し、電流ベクトル３１３は、電動発電機１２の低速・低負荷状態を表す。また、グラフ３２０において、時系列３２２は、電動発電機１２の高速・高負荷状態における相電流の時間変化を表し、時系列３２３は、電動発電機１２の低速・低負荷状態における相電流の時間変化を表す。

電流ベクトル３１２，３１３のように、インバータ１８Ａ（制御回路）は、ある一定方向に規定される電流ベクトルの大きさ、つまり、ｄ軸電流及びｑ軸電流の大きさを変化させる態様で、電動発電機１２の駆動制御を行う。換言すれば、時系列３２２，３２３のように、インバータ１８Ａ（制御回路）は、通常、ある一定の位相で、相電流の振幅を変化させる態様で、電動発電機１２の駆動制御を行う。以下、当該制御態様を、便宜的に「通常制御」と称する。

電動発電機１２の低速・低負荷状態に対応して、相電流、相電圧が相対的に小さくなると、一般的に、デッドタイム補償の効果が相対的に低くなる。例えば、グラフ３２０の領域３２１は、デッドタイム補償の効果が相対的に低く、通常のデッドタイム補償では、電圧指令値Ｖｃｏｍを用いるセンサレス制御としての精度を確保不可能な相電流の振幅に対応する。

これに対して、本例では、グラフ３１０に示すように、インバータ１８Ａは、相電流、相電圧が領域３２１に入るレベルに到達すると、制御過程で生成するトルク指令値Ｔｃｏｍに対応する電動発電機１２のトルクを維持しつつ、相電流、相電圧が相対的に大きくなるような電流ベクトルの方向を採用する。具体的には、インバータ１８Ａは、相電圧（最大値）が所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上になるように（換言すれば、所定の閾値電圧Ｖｔｈに対応するより大きな相電流が流れるように）所望のトルク、つまり、電動発電機１２のトルク指令値Ｔｃｏｍに対応する等トルク線３１１沿いで、通常制御時の電流ベクトル（例えば、電流ベクトル３１３）を基準としてｄ軸電流を増加させ、且つ、ｑ軸電流を減少させる（例えば、電流ベクトル３１４）。換言すれば、グラフ３２０に示すように、インバータ１８Ａは、所望のトルク（つまり、トルク指令値Ｔｃｏｍ）を保持しつつ、相電圧（最大値）が所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上になるように、通常制御時（時系列３２３）を基準として相電流の位相を変化させる（時系列３２４）。これにより、低速・低負荷時であっても、センサレス制御で要求されるデッドタイム補償の最低限以上の精度を確保することができる。そのため、例えば、低速・低負荷時において、複雑なデッドタイム補償のアルゴリズムを採用したり、インバータ１８Ａのハードウェアを改良してデッドタイム自体を短くしたり等せずとも、センサレス制御における電動発電機１２の回転角度の推定精度の低下を抑制することができる。以下、当該制御態様を、便宜的に「低速・低負荷時制御」と称する。

尚、等トルク線３１１は、電動発電機１２がＩＰＭモータの場合を表しており、電動発電機１２がＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータの場合、等トルク線３１１は、ｄ軸に略平行になる。つまり、電動発電機１２がＳＰＭモータの場合、インバータ１８Ａは、通常制御から低速・低負荷時制御に移行する場合、通常制御時の電流ベクトルを基準として、ｄ軸電流を大きくするだけでよい。

例えば、キャパシタ１９の充電量が所定の目標値にある程度近づくと、電動発電機１２の印加電圧は相対的に低下し、そのトルク（つまり、電流）は０に近づく。この場合、上述の通常制御が継続されると、回転角度の推定誤差が相対的に大きくなることで、電動発電機１２が所望のトルク（つまり、トルク指令値Ｔｃｏｍに対応するトルク）を出力できず、電動発電機１２の速度に脈動が生じる可能性がある。その結果、電動発電機１２がキャパシタ１９の充電量を素早く目標値に到達させることができなかったり、電動発電機１２から唸り音が発生したり等するような電動発電機１２の不安定な状態が生じうる。これに対して、インバータ１８Ａは、キャパシタ１９の充電量が目標値にある程度近づいてきた状況において、電動発電機１２の印加電圧、つまり、電圧指令値Ｖｃｏｍが閾値電圧Ｖｔｈを下回ると、電動発電機１２の制御態様を通常制御から低速・低負荷時制御に切り替える。これにより、上述のような電動発電機１２の不安定な状態の発生を抑制することができる。

［電動発電機に関する制御処理］
次に、図４を参照して、インバータ１８Ａ（制御回路）による電動発電機１２に関する制御処理について説明する。

図４は、インバータ１８Ａ（制御回路）による電動発電機１２に関する制御処理の一例を概略的に示すフローチャートである。具体的には、図４は、上述の通常制御と低速・低負荷時制御とを切り替えるための制御処理の具体例である。本フローチャートによる処理は、例えば、ショベルの起動（具体的には、起動後の初期処理が完了した後）から停止までの間で、所定の制御周期ごとに繰り返し実行されてよい。

ステップＳ１０２にて、インバータ１８Ａ（制御回路）は、制御過程で生成した電圧指令値Ｖｃｏｍが所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する。インバータ１８Ａは、電圧指令値Ｖｃｏｍが所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上である場合、ステップＳ１０４に進み、それ以外の場合（つまり、電圧指令値Ｖｃｏｍが所定の閾値電圧Ｖｔｈを下回る場合）、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０４にて、インバータ１８Ａは、電動発電機１２の制御態様を通常制御に設定し、今回の処理を終了する。

一方、ステップＳ１０６にて、インバータ１８Ａは、電動発電機１２の制御態様を低速・低負荷時制御に設定し、今回の処理を終了する。

［本実施形態の作用］
次に、本実施形態に係るショベル（インバータ１８Ａ）の作用について説明する。

本実施形態では、インバータ１８Ａの制御回路は、相対的に速度が低い低速状態の場合であっても、電動発電機１２の電圧が相対的に高くなるように制御する。また、インバータ１８Ａの制御回路の制御下で、電動発電機１２は、相対的に速度が低い低速状態の場合と、相対的に速度が高い高速状態の場合とで、電流位相が異なるように動作する。

これにより、インバータ１８Ａの制御回路は、電動発電機１２の電圧が低くなり過ぎないようにすることができる。そのため、インバータ１８Ａの制御回路は、インバータ１８Ａの変換回路のデッドタイムの影響を抑制することができる。インバータ１８Ａの変換回路のデッドタイムの影響は、上述の如く、電動発電機１２の相電流、相電圧が相対的に低い、低速・低負荷状態の場合に大きくなるからである。

また、本実施形態では、インバータ１８Ａの制御回路は、電動発電機１２の電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上になるように、電動発電機１２の電流を制御してよい。

これにより、インバータ１８Ａの制御回路は、具体的に、電動発電機１２の電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈ以下にならないようにすることができる。

また、本実施形態では、インバータ１８Ａの制御回路は、電動発電機１２の電圧が閾値電圧Ｖｔｈを下回った場合、電動発電機１２のｄ軸電流を相対的に大きくなるように制御してよい。

これにより、インバータ１８Ａの制御回路は、トルクへの影響を抑制しつつ、電動発電機１２の電圧をある程度高く保持させることができる。

また、本実施形態では、インバータ１８Ａの制御回路は、電動発電機１２の電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈを下回った場合、電動発電機１２が出力するべきトルク（つまり、トルク指令値Ｔｃｏｍに対応するトルク）を維持させながら、電動発電機１２のｄ軸電流を相対的に大きくなるように制御してよい。

これにより、インバータ１８Ａの制御回路は、具体的に、トルクへの影響を防止しつつ、電動発電機１２の電圧をある程度高く保持させることができる。

また、本実施形態では、インバータ１８Ａの制御回路は、電動発電機１２の電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈを下回った場合、電動発電機１２のｄ軸電流を相対的に大きくなるように、且つ、ｑ軸電流を相対的に小さくなるように制御してよい。

これにより、インバータ１８Ａは、電動発電機１２がＩＰＭモータである場合に、具体的に、トルクへの影響を防止しつつ、電動発電機１２の電圧をある程度高く保持させることができる。

［変形・変更］
以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

また、上述した実施形態及び変形例において、ショベルの代わりに、任意の電動機（例えば、油圧駆動系の動力源としての電動機を備える任意の作業機械（産業用車両、フォークリフト、クレーン等）が採用されてもよい。

また、上述した実施形態及び変形例における電動発電機１２の制御方法（つまり、低速・低負荷時制御、及び通常制御との切替方法等）は、電圧測定値を代用して電圧指令値が用いられるセンサレス制御が実装される、任意の電動機に適用されてもよい。例えば、ハイブリッド車両に搭載される駆動用モータを対象として、上述の制御方法が採用されてもよい。

１１ エンジン
１２ 電動発電機（電動機）
１２ｓ１ 電流センサ
１４ メインポンプ
１８Ａ インバータ（制御装置）
３０ 制御装置
３０Ａ ショベルコントローラ
３０Ｂ ハイブリッドコントローラ
３０Ｃ エンジンコントローラ

Claims (3)

1. 電動機と、
   前記電動機を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記電動機が相対的に速度の低い低速状態となることで、前記電動機の電圧が所定基準に対して相対的に小さくなった場合、前記電動機が出力するべき、トルク指令値に対応するトルクを維持させながら、前記電動機のｄ軸電流を相対的に大きくなるように、且つ、ｑ軸電流を相対的に小さくなるように制御する、
   作業機械。
2. 前記制御装置は、前記電動機が前記低速状態となることで、前記電動機の電圧が前記所定基準に対して相対的に小さくなった場合、前記電動機のトルクと前記電動機のｄ軸電流及びｑ軸電流との関係に基づき、前記電動機の前記トルク指令値に対応するトルクを維持させながら、前記電動機のｄ軸電流を相対的に大きくなるように、且つ、ｑ軸電流を相対的に小さくなるように制御する、
   請求項１に記載の作業機械。
3. 前記電動機は、ＩＰＭモータである、
   請求項１又は２に記載の作業機械。

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