JPWO2011077714A1 - 交流電動機駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

作動油を吐出する油圧ポンプ（３２ａ，３２ｂ）と、油圧シリンダ群（３５）及び走行モータ（３６）と、油圧シリンダ群（３５）及び走行モータ（３６）の作動制御を行うために操作される操作装置（１７）と、油圧ポンプ（３２ａ，３２ｂ）を駆動させる電動モータ（３３）と、直流電力を出力するバッテリ（４１）と、バッテリ（４１）からの直流電力を交流電力に変換して電動モータ（３３）に供給させるインバータ（４３）と、電動モータ（３３）に供給される交流電力の大きさを調整するために操作されるモード切替手段（１７ａ）と、電動モータ（３３）に供給される交流電力の大きさを調整する制御を行う制御装置（４４）とを備える。

Description

本発明は、主として建設機械等を対象としてこれらの駆動のために用いられる交流電動機の駆動制御装置に関する。

油圧ポンプを駆動させ油圧ポンプから供給された作動油を用いて油圧アクチュエータを作動させる構成を有する油圧制御装置を備えた機械として、例えば、パワーショベル等の建設機械がある。油圧アクチュエータとしては油圧モータや油圧シリンダ等があるが、例えば建設機械では、油圧制御装置を用いてこれらの油圧アクチュエータを作動させることにより、走行装置、旋回装置、ブーム、アーム、バケット等のシリンダを作動させて走行、掘削等各種作業を行う。パワーショベルは、走行、掘削の作業の他に、車両の旋回や土砂を移動させるような作業も行うことができる。

このようなパワーショベル等の建設機械装置において、最近においては、油圧ポンプを電動モータ（特に、交流電動モータ）により駆動したり、旋回装置の旋回駆動を電動モータにより駆動する構成が考えられ、実用化されつつある。

このように電動モータ（交流電動モータ）により油圧ポンプを駆動して得られた油圧を用いる構成の油圧制御装置においては、電動モータが使用する電力量の削減が課題となっている。そこで、複数の電動機をそれぞれ複数のインバータを介してバッテリから電力供給を行うように構成し、バッテリの残電力量（以下、バッテリ残量と称する）が所定値以下にまで減少した際に、これら複数の電動機のうちいずれかの電動機への出力電力量を減らすように制御することにより合計使用電力を抑える制御を行う電力制御手段を備え、使用電力量を減少させる油圧制御装置が公知となっている（例えば、特許文献１を参照）。このような油圧制御装置では、主力電力量の減少制御に伴い、油圧アクチュエータの作動速度も減少するため、使用電力量を減少させると共にバッテリ残量の減少を運転者に認識させることができるようになっている。

また、電動モータの回転駆動力を動力源とする建設機械（電動建設機械）のなかには、バッテリの電力消耗を抑制するため、回生電力を利用してバッテリの充電を行うように構成されたものがある。特に、建設機械の旋回台は慣性質量が大きいため、旋回台の旋回駆動時に電動モータに電力を供給して電動モータを電動機特性で作動させる一方、旋回制動時には電動モータを発電機特性で作動させ、発生する電力でバッテリを充電するように構成された建設機械が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３を参照）。

特開２００８−６３９０２号公報 特開２００７−１００３７２号公報 特開２００９−１５５９８９号公報

ところで、電動モータにより油圧ポンプを駆動して得られた油圧を用いる構成の油圧制御装置においては、バッテリ残量の減少に伴い使用電力量を減らし、また作業者にバッテリ残量の減少を認識させることは可能であるが、バッテリ残量が多い時でも使用電力量を減らすようなことは考慮されてはいなかった。従って、掘削など電動モータの出力が小さくてもよいときでも出力を小さくすることができず、使用電力の無駄を削減できないという課題があった。

また、旋回制動時に電動モータを発電機特性で作動させて電力回生を行う構成の電動建設機械の駆動制御装置においては、従来における旋回駆動用の油圧モータによる旋回制御と同様の操作フィーリングが得られるように、旋回減速時の電動モータ制御が行われていた。すなわち、旋回操作に基づき旋回台が旋回駆動されている状態で、旋回操作レバーが中立位置に戻され、あるいは中立位置を越えて傾倒操作されたときに、旋回台が緩やかに減速して停止するように、電動モータによる回生電流の制限値が比較的低吸収トルクの電流値に設定されていた。

しかしながら、電動モータを発電機特性で用いる場合に、電動モータの吸収トルクが高い方が、一般的に電力への変換効率が高いという特性を持つ。そのため、従来の電動建設機械は、操作フィーリングは良好であるが、エネルギーの回収効率が低いという課題があった。

このようなことから、本発明は、電動モータ等が使用する電力量を可変とすることにより、使用電力の無駄を削減し、省エネルギー化を図ることが可能な交流電動機駆動制御装置を提供することを目的とする。

本発明はさらに、旋回台の旋回駆動および制動制御に際して良好な旋回操作フィーリングを保持しつつ、旋回制動時における回生電力をより効率的に利用可能な交流電動機駆動制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る交流電動機駆動制御装置は、直流電力を出力するバッテリと、前記バッテリからの直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータにより変換された交流電力により駆動される交流電動モータと、前記交流電動モータにより駆動される被駆動装置と、前記被駆動装置の駆動制御を行うために操作される操作手段と、前記交流電動モータに供給される交流電力の大きさを調整する電力制御手段とを備える。

なお、上記交流電動機駆動制御装置において、好ましくは、前記被駆動装置が、前記交流電動モータにより駆動されて作動油を吐出する油圧ポンプおよび前記油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータから構成され、前記油圧アクチュエータの作動油圧を検出する油圧検出手段を備え、前記電力制御手段は、前記油圧検出手段により検出された作動油圧に基づいて、前記交流電動モータに供給される交流電力の大きさを調整する制御を行う。

また、上記交流電動機駆動制御装置において、好ましくは、前記交流電動モータに供給された交流電流の大きさを検出し、前記検出した交流電流の大きさを所定時間毎に積算する電流積算手段を備え、前記電力制御手段は、前記電流積算手段により積算された値に基づいて、前記交流電動モータに供給される交流電力の大きさを調整する制御を行う。

なお、上記交流電動機駆動制御装置において、好ましくは、前記被駆動装置が、走行装置上に旋回台を設けて構成される走行旋回車両から構成され、前記交流電動モータにより前記走行装置に対して前記旋回台を旋回駆動するように構成されており、前記操作手段が前記旋回台を旋回駆動するために操作される旋回操作レバーから構成され、前記旋回操作レバーの中立位置からの操作方向および操作量を検出する旋回操作検出手段を備え、前記電力制御手段は、前記旋回操作レバーの旋回駆動操作に応じて前記交流電動モータに交流電力を供給させて電動機駆動特性で駆動して前記旋回台を旋回駆動させ、前記旋回レバーの操作を戻す旋回制動操作に応じて前記旋回台の旋回慣性力により前記交流電動モータを発電機特性で駆動させて得られる回生電力を前記バッテリに供給して充電するように構成される。

なお、上記交流電動機駆動制御装置において、好ましくは、前記操作レバーが旋回操作位置から中立位置に戻されたことが前記操作検出手段により検出されたときに、前記制御装置は、前記交流電動モータに対する回生電流の制限値を第１制限値に設定して前記旋回台を低吸収トルクで緩やかに減速させ、前記操作レバーが旋回操作位置から中立位置を越えて反対方向に操作されたことが前記操作検出手段により検出されたときには、前記制御装置は、前記交流電動モータに対する回生電流の制限値を前記第１制限値よりも高い第２制限値に設定して前記旋回台を高吸収トルクで速やかに減速させる。

なお、上記交流電動機駆動制御装置において、好ましくは、前記制御装置は、前記旋回操作位置における前記操作レバーの中立位置からの操作量に応じて前記第１制限値及び前記第２制限値を可変設定する。

以上、本発明に係る交流電動機駆動制御装置においては、交流電動モータに供給される交流電力の大きさを調整するための電力制御手段が設けられている。従って、例えば建設機械の場合、作業毎に交流電動モータに供給される交流電力の調整を行うことが可能となり、電動モータの出力が小さくてもよいときには、必要に応じて上記交流電力を小さくすることができ、省エネルギー化を実現することが可能となる。

また、油圧アクチュエータの作動油圧を検出する油圧検出手段を備え、電力制御手段が、油圧検出手段が検出した作動油圧に基づいて交流電力の大きさを調整することにより、例えばパワーが必要な掘削等の作業を行い油圧が大きいときに交流電力を大きくすることが可能となり、油圧アクチュエータの作動油圧に応じて自動的に交流電動モータの出力を調整することができる。

さらに、交流電動モータに供給された交流電流の大きさを検出し、検出した交流電流の大きさを所定時間毎に積算する電流積算手段、または交流電動モータに供給された電流値の傾きを算出する電流値傾き算出手段を備え、電力制御手段が、電流積算手段が積算した積算値、または電流値傾き算出手段が算出した電流値の傾きに基づいて交流電力の大きさを調整することにより、交流電動モータに供給された電流の積算値、または電流値の傾きに応じて自動的に交流電動モータの出力を調整することができる。

また、旋回制動時に電動モータを発電機特性で作動させて電力回生を行う構成の電動建設機械において、操作レバーが旋回操作位置から中立位置に戻されたときに、回生電流の制限値が第１制限値に設定されて旋回台が低吸収トルクで緩やかに減速され、操作レバーが旋回操作位置から中立位置を越えて反対方向に操作されたときに、回生電流の制限値が第１制限値よりも高い第２制限値に設定されて旋回台が高吸収トルクで速やかに減速される。後述するように、電動モータを発電機特性で作動させる場合に、旋回制動時の電流制限値を高めることによりエネルギー回収率を向上させることができる。従って、本発明によれば、操作意図に応じた良好な操作フィーリングを保持しつつ、回生電力をより効率的に利用可能な駆動制御装置を提供することができる。

なお、制御装置が操作レバーの中立位置からの操作量に応じた第１制限値及び第２制限値を設定するように構成すれば、旋回台の旋回速度に応じて第１制限値と第２制限値とが連動変化するため、旋回速度にかかわらず良好な操作フィーリングとエネルギー回生率の向上とを両立させた駆動制御装置を提供することができる。

本発明に係る油圧制御装置を適用させた一例として示すパワーショベルの斜視図である。 本発明に係る油圧制御装置を示す油圧回路及び電気回路を示すブロック図である。 図３（ａ）は、上記油圧制御装置における油圧と電動モータの回転数との関係を示すグラフである。図３（ｂ）は、上記油圧制御装置における油圧と作動油の流量との関係を示すグラフである。 上記油圧制御装置における電動モータに供給される電流と時間との関係の一例を示すグラフである。 第２の実施形態としてのパワーショベルにおける駆動制御系のブロック図である。 旋回モータを発電機として作動させる場合における電力回生率と吸収トルクとの関係を示すグラフである。 通常の旋回制動状態と急速旋回制動状態とについて、図７（ａ）は、制御コントローラに入力された操作信号の時間変化を示し、図７（ｂ）は、旋回インバータに設定された回生電流の制限値との関係とを示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１には、本発明に係る油圧制御装置を適用させた建設機械の一例としてクローラ型のパワーショベル１を示している。このパワーショベル１は、平面視略Ｈ字状の走行台車４（車体）の左右に走行機構３，３が設けられて構成される走行装置２と、走行台車４の後部に上下に揺動自在に設けられたブレード９と、走行台車４の上部に旋回可能に設けられた旋回台１１と、旋回台１１の前部に設けられたショベル機構１２と、旋回台１１の上部に立設された運転者搭乗用のオペレータキャビン１５（車体）とから構成されている。

走行装置２を構成する左右一対の走行機構３，３は、走行台車４の左右前部に設けられた駆動用スプロケットホイール５と、走行台車４の左右後部に設けられたアイドラホイール６との間に履帯７が巻き掛けられて構成される。駆動用スプロケットホイール５は、油圧で作動する走行モータ３６（後述）により回転駆動される。ブレード９は、油圧駆動式のブレードシリンダ（不図示）の作動により揺動される。旋回台１１は、交流電動モータを用いた旋回駆動機構８０（後述）により旋回動されるが、この駆動構成および制御については後述する。

ショベル機構１２は、旋回台１１の前部に起伏動自在に枢結されたブーム２１と、ブーム２１の先端部にブーム２１の起伏面内で上下に揺動自在に枢結されたアーム２２と、アーム２２の先端に上下で揺動自在に枢結されたバケット２３と、油圧駆動式のブームシリンダ２４、アームシリンダ２５、及びバケットシリンダ２６とから構成されている。ブーム２１はブームシリンダ２４により起伏動され、アーム２２はアームシリンダ２５により揺動され、バケット２３はバケットシリンダ２６により揺動される。以降の説明ではこれらのシリンダ２４〜２６やブレード９のブレードシリンダを纏めて「油圧シリンダ群３５」と呼ぶ。オペレータキャビン１５は、上下前後左右が囲まれた矩形箱状に形成されており、内部に運転者が着座するためのオペレータシート１６と、走行装置２やショベル機構１２の作動操作を行うための操作装置１７とが設けられている。

操作装置１７には、パワーショベル１の走行、掘削等の操作を行うための操作レバーが設けられており、運転者は、オペレータシート１６に着座して操作レバーを操作することにより油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６の駆動を制御して、パワーショベル１を走行させたり、また、ショベル機構１２の作動を制御して、掘削等の作業をさせたりすることができる。また、操作装置１７には、互いに出力が異なる走行モードと、掘削モードと、掘削エコモード（後に詳述）との切り替えを行うモード切替手段１７ａが設けられている。運転者は、オペレータシート１６に着座してモード切替手段１７ａを操作することにより、走行モード、掘削モード、及び掘削エコモードの切り替えを行うことができる（後に詳述）。なお、モード切替手段１７ａとしては、例えば、パワーショベル１を前進２速（高速）で走行させるための走行２速スイッチなどを用いることもできる。

また、パワーショベル１には、油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６に作動油を供給し作動させる油圧制御装置３０が設けられている。図２を用いて以下で油圧制御装置３０について説明する。なお、図２では、油圧回路を実線で示し、電気的または光学的信号回路を点線で示している。油圧制御装置３０は、上述した油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６のほか、作動油を貯留するタンク３１と、作動油を吐出する２個の油圧ポンプ３２ａ，３２ｂと、油圧ポンプ３２ａ，３２ｂを駆動させる交流電動モータ３３と、及び、油圧ポンプ３２ａ，３２ｂから吐出させる作動油を操作装置１７の操作に応じた供給方向及び供給量で油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６に供給させる制御を行うコントロールバルブ３４と、油圧ポンプ３２ａ，３２ｂにそれぞれ対応して設けられ、油圧ポンプ３２ａ，３２ｂから吐出された作動油の油圧を検出する２個の圧力センサ３７ａ，３７ｂと、電源システム４０とを備えて構成されている。

油圧ポンプ３２ａ，３２ｂは、交流電動モータ３３により駆動されるように構成されており、上記交流電動モータ３３には、電源システム４０のバッテリ４１からインバータ４３により制御されて交流電流が供給されるようになっており、電動モータ３３はこの電力により駆動するようになっている。電源システム４０は、図２に示すように、電力を蓄えインバータ４３及び制御装置４４に直流電力を供給するバッテリ４１と、バッテリ４１から得た直流電力を交流電力に変換して電動モータ３３に供給するインバータ４３と、インバータ４３の電動モータ３３への交流電力の供給を制御する制御装置４４とを備えて構成されている。

電動モータ３３への交流電流の供給は、制御装置４４が上記インバータ４３の作動を制御することにより行われる。制御装置４４は、電源システム４０を統括的に制御し、バッテリ４１からの直流電力を受けて機能する。制御装置４４は、モータ回転数検出センサ（不図示）、圧力センサ３７ａ，３７ｂにより、電動モータ３３の出力及び回転数を検出することが可能となっており、検出した回転数、油圧等に基づいて、油圧ポンプ３２ａ，３２ｂから供給される油圧等が最適状態になるように制御信号を生成し、当該制御信号をインバータ４３に送信することにより、インバータ４３が該制御信号に基づいて交流電流を電動モータ３３に供給する制御を行うようになっている。圧力センサ３７ａ，３７ｂは、油圧ポンプ３２ａ，３２ｂから吐出される作動油の油圧を検出するために設けられ、検出された油圧の値が制御装置４４に送信されるようになっている。

また、本実施形態におけるパワーショベル１では、走行モード、掘削モード、及び掘削エコモードの３種類に亘るモード切替が可能となっている。走行モード、掘削モード、及び掘削エコモードでは、それぞれ、電動モータ３３の回転数及び出力（電力）の制御モードが異なる。走行モードにおける電動モータ３３の回転数及び出力は、同一制御条件の下では掘削モード及び掘削エコモードよりも大きく、掘削モードにおける電動モータ３３の回転数及び出力は、掘削エコモードにおける電動モータ３３の回転数及び出力よりも大きくなっている。また、電動モータ３３はトルク一定の特性なので、電動モータ３３の回転数を変えるとその出力も変化する。なお、本実施形態では、電動モータ３３の出力について、走行モードでは７ｋＷ、掘削モードでは５ｋＷ、掘削エコモードでは４ｋＷとしている。このモード切替の実施例について、以下に説明する。

実施例１では、モード切替を手動で切り替える例を示す。上述したように、運転者は、操作装置１７に設けられているモード切替手段１７ａを操作することにより、走行モード、掘削モード、及び掘削エコモードの切替を行うことができるが、運転者が切替を行った際には、モード切替手段１７ａからモード切替信号が制御装置４４に送信される。モード切替信号は、走行モードに切り替えられた際に出力される走行モード信号と、掘削モードに切り替えられた際に出力される掘削モード信号と、掘削エコモードに切り替えられた際に出力される掘削エコモード信号とからなる。

運転者は、オペレータシート１６に搭乗してパワーショベル１を走行させるときに、モード切替手段１７ａを操作して走行モードに切り替える。そうすると、制御装置４４に走行モード信号が送信され、制御装置４４は、電動モータ３３の回転数を、掘削モード及び掘削エコモードより大きくして、電動モータ３３を駆動させる。また、パワーショベル１に掘削等の作業をさせる場合は、モード切替手段１７ａを操作して掘削モードに切り替える。すると、制御装置４４に掘削モード信号が送信され、制御装置４４は、電動モータ３３の回転数を、走行モードより小さく且つ掘削エコモードより大きい値にして、電動モータ３３を駆動させる。そして、掘削等の作業で更に出力を抑えたい場合は、運転者は、モード切替手段１７ａを操作して掘削エコモードに切り替える。すると、制御装置４４に掘削エコモード信号が送信され、制御装置４４は、電動モータ３３の回転数を、走行モード及び掘削モードより小さい値にして、電動モータ３３を駆動させる。

以上のように、実施例１では、運転者が、パワーショベル１にさせる作業内容等に応じてモード切替手段１７ａを操作することにより、電動モータ３３の出力を手動で変更することができ、電動モータ３３の無駄な出力を抑えることが可能となる。また、モード切替手段１７ａが油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６の駆動を操作する操作レバー（不図示）のパイロット圧を検知して、当該検知したパイロット圧の値に応じて自動的にモード切替を行うようにしてもよい。このようにモード切替を行う場合、どの油圧シリンダ群３５または走行モータ３６を作動させたかによって電動モータ３３の出力値が変わることになり、作業内容毎に電動モータ３３の出力を最適化させることもできる。

実施例２では、モード切替を上述した圧力センサ３７ａ，３７ｂ及び制御装置４４が自動的に行う例を示す。圧力センサ３７ａ，３７ｂにより検出された油圧の値は、所定時間毎に制御装置４４により検出される。そして制御装置４４は、検出した圧力センサ３７ａ，３７ｂの油圧の値の平均値に応じて、電動モータ３３の出力値を決定し電動モータ３３を駆動させるようになっている。具体的には、例えば、検出した油圧について任意の第１油圧閾値と、第１油圧閾値より大きい値の任意の第２油圧閾値を設けて、制御装置４４が検出した油圧の値（上記平均値）が第１油圧閾値より小さい場合は走行モードに切り替え電動モータ３３の出力を、掘削モード及び掘削エコモードのときよりも大きい値（７ｋＷ）にする。また、制御装置４４が検出した油圧の値（上記平均値）が第１油圧閾値よりも大きいが第２油圧閾値よりは小さい場合は掘削モードに切り替え電動モータの３３出力を走行モードよりも小さいが掘削エコモードよりは大きい値（５ｋＷ）にする。そして、制御装置４４が検出した油圧の値（上記平均値）が第２油圧閾値よりも大きい場合は掘削エコモードに切り替え電動モータ３３の出力を走行モード及び掘削エコモードよりも小さい値（４ｋＷ）にする。このように、制御装置４４は、電動モータ３３の出力値を決定して電動モータ３３を駆動させる。

以上のように、実施例２では、圧力センサ３７ａ，３７ｂにより検出された油圧に基づいて、制御装置４４が電動モータ３３の出力を決定し駆動させることにより、電動モータ３３の出力を油圧に応じて切り替えることができる。これにより、電動モータ３３の出力を自動で変更することができ、パワーショベル１に走行等を行わせ油圧が低くなっている際の電動モータ３３の出力に比べ、掘削等を行わせ油圧が高くなっている際の電動モータ３３の出力を抑えることができる。例えば、図３のグラフの実線部分に示すように、油圧が第１油圧閾値より小さいときは走行モード（７ｋＷ）、第１油圧閾値と第２油圧閾値の間のときは掘削モード（５ｋＷ）、第２油圧閾値より大きいときは掘削エコモード（４ｋＷ）にして、掘削時、特に油圧が大きい時の電動モータ３３の出力を小さくすることが可能となる。

また、上記では、制御装置４４が、検出した油圧の値に基づいて、３段階のモード（走行モード、掘削モード、掘削エコモード）に切り替える例について説明したが、実施例２で使用するモードは上記の３段階に限定されず、多段階、または、段階を設けずに当該油圧の検出値から電動モータ３３の出力値を計算して決定するようにしてもよい。

実施例３では、モード切替を制御装置４４が電動モータ３３に供給される電流の積算値を検出し、当該積算値に応じて、電動モータ３３の出力を決定する例を示す。制御装置４４は、インバータ４３を介して、電動モータ３３に供給させる交流電流の所定時間、例えば１５秒ごとの電流の積算値を検出する。検出した積算値は、例えば、図４に示すように、５秒ごとに電動モータ３３に供給される電流の平均値がグラフ化され、例えば、０〜５秒の平均値が７Ａ、６〜１０秒の平均値が１２Ａ、１１〜１５秒の平均値が９Ａのとき、最初の１５秒間の電流の積算値は、２８Ａとなる。このようにして、電源システム４０は、例えば１５秒ごとに電流の積算値を算出し、その算出結果に応じて電動モータ３３の出力を決定する。

具体的には、例えば、算出した電流の積算値について任意の第１電流閾値（例えば、３０Ａ）と、第１電流閾値より大きい値の任意の第２電流閾値（例えば、４０Ａ）を設けて、制御装置４４が算出した電流の積算値が第１電流閾値（３０Ａ）より小さい場合は走行モードに切り替え電動モータ３３の出力を、掘削モード及び掘削エコモードよりも大きな値（７ｋＷ）にする。また、制御装置４４が算出した電流の積算値が第１電流閾値（３０Ａ）と第２電流閾値（４０Ａ）の間の値の場合は掘削モードに切り替え電動モータ３３の出力を、走行モードよりも小さく且つ掘削エコモードよりも大きな値（５ｋＷ）にする。そして、制御装置４４が算出した電流の積算値が第２電流閾値（４０Ａ）より大きい場合は掘削エコモードに切り替え電動モータ３３の出力を、走行モータ及び掘削モードよりも小さい値（４ｋＷ）にする。制御装置４４は、このように出力値を決定して電動モータ３３を駆動させる。

以上のように、実施例３では、制御装置４４が算出した、電動モータ３３に供給された電流の積算値に基づいて、電動モータ３３の出力を決定し駆動させることにより、電動モータ３３の出力を電流の積算値に応じて切り替えることができる。これにより、電動モータ３３の出力を自動で変更することができる。なお、電動モータ３３に供給される電流は、油圧と同様、走行よりも掘削等パワーが必要な作業をさせるときに大きくなるため、パワーショベル１に走行等を行わせ電流が小さくなっている際の電動モータ３３の出力に比べ、掘削等を行わせ電流の値が大きくなっている際の電動モータ３３の出力を抑えることができる。

また、上記では、算出した電流の積算値に基づいて、３段階のモード（走行モード、掘削モード、掘削エコモード）に切り替える例について説明したが、実施例３で使用するモードも上記の３段階に限定されず、多段階、または、段階を設けずに当該電流の積算値から電動モータ３３の出力値を計算して決定するようにしてもよい。

また実施例３では、制御装置４４が、電流の積算値を算出しこの積算値に基づいて電動モータ３３の出力を決定する例を示したが、電流の積算値ではなく電流値の傾き（単位時間当たりの電流の変化量等）を算出して、この電流値の傾き（すなわち電流の変化に伴い変化する油圧の傾き）に基づいて、電動モータ３３の出力、及び電動モータ３３の回転数の復帰の早さ（目標回転数へ達する速度）を決定するようにしてもよい。こうして、目標回転数へ達する速度を例えば作業毎に適宜決定可能にすることにより、無駄なエネルギーの消費を抑え省エネルギー化を実現することができる。さらに、制御装置４４自身が電流の検出及び積算値の算出等を行うのではなく、制御装置４４とは別体に電流積算手段（不図示）を設け、当該電流積算手段に、電動モータ３３に供給される電流を検出させ、電流の積算値を算出させるようにしてもよい。

以上、本実施形態におけるパワーショベル１においては、上記実施例１〜３のように、モード切替手段１７ａの操作、操作手段１７のパイロット圧、油圧の値、または電動モータ３３に供給される電流の積算値または電流値の傾きに応じて、電動モータ３３の回転数及び出力を変更することが可能になっている。従って、走行等の作業をさせる際と比較して、掘削等、より大きなパワーが必要な作業をさせる際の電動モータ３３の回転数及び出力を減らすことが可能になるため、電動モータ３３の省エネルギー化を実現できる。また、走行時には電動モータ３３の出力を上げることにより、馬力を維持、確保しつつ走行速度を上げることができる。

また、本実施形態では、電動モータ３３の出力について、走行モードでは７ｋＷ、掘削モードでは５ｋＷ、掘削エコモードでは４ｋＷとした例について示したが、電動モータ３３の出力の値はこれに限定されることはない。

そして、本実施形態の実施例２では、制御装置４４が、油圧の平均値に基づいて電動モータ３３の出力を調整し、実施例３では、制御装置４４が、電流の平均値を所定時間毎に積算し、その積算した値に基づいて電動モータ３３の出力を調整する例を示した。しかし、制御装置４４が電動モータ３３の出力を調整するための基礎とする値は、油圧の平均値及び電流の平均値、積算値などに限定されることはない。例えば、検出した油圧の最高値、最低値、または、検出した電流の最高値、最低値等に基づいて、制御装置４４が電動モータ３３の出力を決定することも可能である。

さらに、電流の積算値ではなく電流値の傾きを定期的に検出して、検出した電流値の傾きに基づいて、電動モータ３３の出力、及び電動モータ３３の回転数の復帰の早さを決定するようにしてもよい。このように、電動モータ３３の目標回転数へ達する速度を適宜決定可能にすることにより、さらに、無駄なエネルギーの消費を抑え省エネルギー化を実現することができる。

なお、本実施形態においては、建設機械の一例として油圧制御装置３０を備えたパワーショベル１を示したが、油圧制御装置３０の構成は上記に限定されるものではなく、例えば油圧ポンプ３２及び圧力センサ３７の個数は２個でなくてもよい。また、本発明に係る建設機械についてもパワーショベル１に限定されず、高所作業車、移動式クレーン、フォークリフト、ローダ等に対しても本発明を適用することは可能である。

次に、本発明の第２の実施形態について、図５〜図７を参照して説明する。なお、この実施形態の対象は、図１に示したパワーショベル１を対象としており、これも参照して説明するが、同一構成部分についての説明は省略もしくは簡略化する。

走行台車４には、図示省略する旋回駆動機構を介して旋回台１１が水平旋回自在に取り付けられ、旋回駆動機構に設けられた旋回モータ８０を正転または逆転させることにより、走行台車４に対して旋回台１１を右旋回（平面視における時計回り）または左旋回（平面視における反時計回り）に水平旋回可能になっている。旋回モータ８０は、電動機として作動させる力行運転と、発電機として作動させる回生運転の双方が可能な交流電動モータが用いられる。なお、本実施形態では、旋回モータ用のインバータ（以下、旋回インバータという）４３ｂにより交流駆動されるＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータを用いた構成を示す。

操作装置１７は、左右の走行モータ３６ａ，３６ｂの作動操作を行う左右走行操作レバー１７ａ，１７ｂ、旋回台１１及びショベル機構１２の作動操作を行う左右作業操作レバー１７ｃ，１７ｄ等を備える。左右一対の走行操作レバー１７ａ，１７ｂは、非操作時に付勢保持される中立位置に対して前後に傾動操作可能に構成されている。左右作業操作レバー１７ｃ，１７ｄは、非操作時に付勢保持される中立位置に対して前後及び左右に傾動操作可能に構成されている。

これら操作レバー１７ａ−１７ｄには、各操作レバーの位置状態（中立位置からの傾倒操作方向及び操作量）を検出する操作検出器１７as，１７bs，１７cs，１７dsが設けられており、各操作検出器により検出された操作信号が制御装置４４に入力される。なお、操作検出器は、各操作レバーの位置状態を検出可能な構成であればよく、例えば、操作装置として油圧式のコントロールバルブを用いる場合には、操作レバーの位置状態に応じて変化するパイロット信号圧を検出する圧力センサ、操作装置として電気式のジョイスティックを用いる場合には、操作レバーの位置状態に応じて変化する電気抵抗を検出するポテンショメータ等を用いることができる。制御装置４４は、操作検出器１７as，１７bs，１７cs，１７dsから入力される操作信号に基づいて走行モータ３６、油圧シリンダ群３５、旋回モータ８０等の作動を制御する。

コントロールバルブ３４は、車体に設けられた油圧アクチュエータに対応した複数の電磁比例制御弁からなり、左右の走行モータ３６ａ，３６ｂに対応する走行制御バルブ３４ａ，３４ｂ、ブームシリンダ２４に対応するブーム制御バルブ３４ｃ、アームシリンダ２５に対応するアーム制御バルブ３４ｄ、バケットシリンダ２６に対応するバケット制御バルブ３４ｅがある。コントロールバルブ３４は、油圧ポンプ３２から供給される圧油を、制御装置４４から出力される指令信号に応じてこれら制御バルブを作動させる制御を行い、走行モータ３６および油圧シリンダ群３５の作動制御を行う。

電源システム４０は、リチウムイオン電池等の二次電池からなるバッテリ４１と、制御装置４４から出力される指令信号に基づいてポンプモータ３３に電力供給を行うポンプインバータ４３ａ、制御装置４４から出力される指令信号に基づいて旋回駆動時に旋回モータ８０に電力供給を行い、旋回制動時にバッテリ４１の充電等を制御する旋回インバータ４３ｂ、及び、詳細図示を省略するが、商用電源から交流電力を受けてバッテリ４１を充電する充電器などを備えて構成される。

ポンプインバータ４３ａは、バッテリ４１から供給される直流電力を、制御装置４４から出力される指令信号に応じた電圧及び周波数の交流電力に変換してポンプモータ３３に供給して油圧ポンプ３２を回転駆動し、吐出された圧油をコントロールバルブ３４に供給させる。

旋回インバータ４３ｂは、旋回モータ８０を電動機特性で作動させる旋回駆動時には、バッテリ４１から供給される直流電力を、制御装置４４から出力される指令信号に応じた電圧及び周波数の交流電力に変換して交流電動モータからなる旋回モータ８０を回転駆動させ、旋回台１１を指令信号（操作信号）に応じた旋回方向及び旋回速度で旋回作動させる。また、旋回制動時には旋回モータ８０を発電機特性で作動させ（旋回台１１の旋回慣性力で旋回モータ８０を回転駆動させて発電、すなわちエネルギー回生を行わせ）、その回生発電電力を所定の制限電流でバッテリ４１に供給して充電制御する。この充電時の制御内容については、後に詳述する。

このパワーショベル１では、右作業操作レバー１７ｃがブーム２１とバケット２３の作動操作を行う操作レバー、左作業操作レバー１７ｄが旋回台１１とアーム２２の作動操作を行う操作レバーになっている。

これらの作業操作レバー１７ｃ，１７ｄは、中立位置から前後左右に傾倒操作可能になっており、右作業操作レバー１７ｃを中立位置から前方／後方に傾倒操作するとブーム２１が傾倒角度に応じた作動速度で倒伏／起仰作動し、右作業操作レバー１７ｃを中立位置から左方／右方に傾倒操作するとバケット２３が傾倒角度に応じた作動速度で揺動するようになっている。また、左作業操作レバー１７ｄを中立位置から前方／後方に傾倒操作するとアーム２２が傾倒角度に応じた作動速度で上方／下方へ屈伸作動し、左作業操作レバー１７ｄを中立位置から左方／右方に傾倒操作すると旋回台１１が左回り／右回りに旋回作動するようになっている。

ここで、左作業操作レバー１７ｄの操作による旋回台１１の旋回作動は、旋回モータ８０により行わせるが、この旋回モータ８０は交流電動モータであり、制御装置４４による旋回作動制御について説明する。

旋回台１１の旋回操作は、左作業操作レバー１７ｄを中立位置から右方（右旋回）または左方（左旋回）に傾倒操作することにより行われる。この操作は操作検出器１７dsにより検出され、操作レバーの傾倒方向及び傾倒角度に応じた操作信号が制御装置４４に入力され、制御装置４４は、この操作信号に応じた指令信号を旋回インバータ４３ｂに出力して旋回モータ８０の作動を制御する。

制御装置４４は、左作業操作レバー１７ｄが、中立位置から右方または左方に傾倒操作された場合、あるいは、右方または左方に傾倒された角度位置（旋回操作位置という）からさらに傾倒角度が増加する方向に操作された場合に、旋回台１１の作動状態は「旋回駆動状態」（駆動運転状態）であると判断する。そして、操作信号に応じた旋回速度で旋回台２を右旋回／左旋回させるために必要な駆動トルクを算出し、算出された駆動トルクに応じた指令信号を生成して旋回インバータ４３ｂに出力する。旋回インバータ４３ｂは、バッテリ４１から供給される直流電力を、指令信号に対応する電圧及び周波数の交流電力に変換して旋回モータ８０に供給し、旋回モータ８０を電動機特性で作動させて、旋回台１１を指令信号（操作信号）に応じた旋回方向及び旋回速度で旋回作動させる。

一方、左作業操作レバー１７ｄが、右方または左方の旋回操作位置から中立位置に戻された場合、あるいは、旋回操作位置から傾倒角度が減少する方向に操作された場合に、制御装置４４は、旋回台１１の作動状態が「通常の旋回制動状態」であると判断する。一般的に、掘削作業では、掘削位置と排土位置との間で旋回台２を往復させることが多い。このような作業では、旋回モータとして油圧モータを用いた場合と同様の操作フィーリングで、旋回中の旋回台１１が滑らかに止まることが好ましい。そこで、左作業操作レバー１７ｄが右方／左方の旋回操作位置から中立位置に戻されたような場合に、制御装置４４は「通常の旋回制動状態」であると判断し、旋回モータとして油圧モータを用いた場合と同様の操作フィーリングで旋回台１１が滑らかに減速するように、「通常制動」の指令信号を旋回インバータ４３ｂに出力して旋回モータ８０の作動を制御する。

「通常制動」の指令信号が入力されると、旋回インバータ４３ｂは、内部回路を駆動回路から回生回路に切り替えるとともに、旋回モータ８０を発電機特性で作動させる際の回生電流の制限値（最大電流値）を低吸収トルクの第１制限値に設定して旋回台１１を滑らかに減速させる。この第１制限値は、上記のように操作フィーリングが油圧モータによる旋回の場合と同様となるように、例えば旋回台１１の旋回速度が所定の負の加速度で減速するように設定される。このとき、旋回モータ８０により発電された交流電力は、旋回インバータ４３ｂにより直流電力に変換されてバッテリ４１に供給され、バッテリ４１が充電される。

ここで、旋回モータ８０を発電機として作動させる場合に、電力の回生率は、旋回モータ８０の吸収トルク（制動力）に応じて変化する。図６は、この様子を模式的に示したグラフであり、グラフの縦軸は電力回生率、横軸は制動力である。このグラフから、旋回モータ８０の制動力が大きい方が、電力の回生率が高いことが分かる。このことは、旋回モータ８０の制動力、すなわち旋回制動時の吸収トルクを高めることにより、エネルギー回収率を向上可能であることを表す。旋回モータ８０の吸収トルクは、旋回インバータ４３ｂにおいて設定する回生電流の制限値により規定される。

また、旋回操作を行う左作業操作レバー１７ｄが、旋回台１１の旋回作動中に旋回操作位置から中立位置を越えて反対方向に操作されることは、急速停止または急速反転の意思があると推定することができる。

そこで、左作業操作レバー１７ｄが、右方または左方の旋回操作位置から中立位置を越えて反対方向に操作された場合（所定時間内に反対方向の操作信号に切り替わった場合）に、制御装置４４は、旋回台１１の作動状態が「急速旋回制動状態」であると判断し、旋回台１１が通常の旋回制動状態よりも急減速するように、「急速制動」の指令信号を旋回インバータ４３ｂに出力して旋回モータ８０の作動を制御する。

「急速制動」の指令信号が入力されると、旋回インバータ４３ｂは、通常制動と同様に内部回路を駆動回路から回生回路に切り替える一方、回生電流の制限値を高吸収トルクの第２制限値（＞第１制限値）に設定して旋回台１１を急減速させる。

図７は、「通常の旋回制動状態」と「急速旋回制動状態」とについて、（ａ）制御装置４４に入力された操作信号Ｓtと、（ｂ）この操作信号Ｓtに応じて制御装置４４から出力される指令信号に基づき旋回インバータ４３ｂに設定された回生電流の制限値Ｉtとの関係を時間軸上に示したグラフである。図中に、「通常の旋回制動状態」を実線で示し、「急速旋回制動状態」を点線で示す。なお、操作信号の時間変化を示す（ａ）では、中立位置を中心（±０）として上方を右旋回の操作信号、下方を左旋回の操作信号として示している。

図７に実線で示すように、右旋回の操作信号Ｓtが時刻ｔ₀において所定範囲の不感帯を含む中立位置に戻されたような「通常の旋回制動状態」の場合に、制御装置４４から「通常制動」の指令信号を受けた旋回インバータ４３ｂは、回生電流の制限値を低吸収トルクの第１制限値に設定して旋回台１１を滑らかに減速させる。既述したように、第１制限値は操作フィーリングに基づいて設定されており、右旋回中の旋回台が滑らかに減速制動し停止する。

一方、図７に点線で示すように、右旋回の操作信号Ｓtが時刻ｔ₀において所定範囲の不感帯を含む中立位置を越えて左旋回方向に操作されたような「急速旋回制動状態」の場合には、制御装置４４から「急速制動」の指令信号を受けた旋回インバータ４３ｂは、回生電流の制限値を第１制限値よりも高い第２制限値に設定して第２制限値のもとで旋回モータ８０を発電機特性で作動させる。

この第２制限値は、通常制動時の第１制限値よりも高く、高吸収トルクであるため、旋回中の旋回台１１に大きな制動力が作用し、旋回台１１は急減速される。そのため旋回台１１は通常制動時よりも旋回空走角で旋回停止し、操作意図に合致した制動制御が実現される。

また、最大回生電流の制限値を第１制限値よりも高い第２制限値に設定することにより、旋回台１１の慣性エネルギーが短時間で電気エネルギーに変換されるため、メカニカルロスを低減させるとともに発電効率を向上させることができ、エネルギー回生率を向上させることができる。

なお、第２制限値は第１制限値の１．５〜２倍程度に設定することが好ましい。エネルギー回生率という面において第２制限値は高い方が好ましいが、これを過度に高めると旋回台１１が急停止し操作フィーリング上好ましくないからである。また、上記第１、第２制限値は、旋回操作信号の大きさ、あるいは旋回台１１の旋回速度に応じて段階的又は無段階に連動変化するように構成することができる。このような構成によれば、旋回台１１の旋回速度に応じて好適な第１、第２制限値が設定されるため、旋回速度にかかわらず良好な操作フィーリングとエネルギー回生率の向上とを両立させることができる。

従って、以上説明したような制御構成によれば、操作意図に応じた良好な操作フィーリングを保持しつつ、回生電力をより効率的に利用可能な駆動制御装置を提供することができる。

１ パワーショベル
１７ 操作装置 （油圧アクチュエータ操作手段）
１７ａ モード切替手段（電力調整操作手段）
３０ 油圧制御装置
３２ａ，３２ｂ 油圧ポンプ
３３ 電動モータ（交流電動モータ）
３５ 油圧シリンダ群（油圧アクチュエータ）
３６ 走行モータ（油圧アクチュエータ）
３７ａ、３７ｂ 圧力センサ（油圧検出手段）
４１ バッテリ
４３ インバータ
４４ 制御装置（電力制御手段）

Claims (6)

1. 直流電力を出力するバッテリと、
   前記バッテリからの直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータにより変換された交流電力により駆動される交流電動モータと、
   前記交流電動モータにより駆動される被駆動装置と、
   前記被駆動装置の駆動制御を行うために操作される操作手段と、
   前記交流電動モータに供給される交流電力の大きさを調整する電力制御手段とを備えることを特徴とする交流電動機駆動制御装置。
2. 前記被駆動装置が、前記交流電動モータにより駆動されて作動油を吐出する油圧ポンプおよび前記油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータから構成され、
   前記油圧アクチュエータの作動油圧を検出する油圧検出手段を備え、
   前記電力制御手段は、前記油圧検出手段により検出された作動油圧に基づいて、前記交流電動モータに供給される交流電力の大きさを調整する制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の交流電動機駆動制御装置。
3. 前記交流電動モータに供給された交流電流の大きさを検出し、前記検出した交流電流の大きさを所定時間毎に積算する電流積算手段を備え、
   前記電力制御手段は、前記電流積算手段により積算された値に基づいて、前記交流電動モータに供給される交流電力の大きさを調整する制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の交流電動機駆動制御装置。
4. 前記被駆動装置が、走行装置上に旋回台を設けて構成される走行旋回車両から構成され、前記交流電動モータにより前記走行装置に対して前記旋回台を旋回駆動するように構成されており、
   前記操作手段が前記旋回台を旋回駆動するために操作される旋回操作レバーから構成され、前記旋回操作レバーの中立位置からの操作方向および操作量を検出する旋回操作検出手段を備え、
   前記電力制御手段は、前記旋回操作レバーの旋回駆動操作に応じて前記交流電動モータに交流電力を供給させて電動機駆動特性で駆動して前記旋回台を旋回駆動させ、前記旋回レバーの操作を戻す旋回制動操作に応じて前記旋回台の旋回慣性力により前記交流電動モータを発電機特性で駆動させて得られる回生電力を前記バッテリに供給して充電するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の交流電動機駆動制御装置。
5. 前記操作レバーが旋回操作位置から中立位置に戻されたことが前記操作検出手段により検出されたときに、前記制御装置は、前記交流電動モータに対する回生電流の制限値を第１制限値に設定して前記旋回台を低吸収トルクで緩やかに減速させ、
   前記操作レバーが旋回操作位置から中立位置を越えて反対方向に操作されたことが前記操作検出手段により検出されたときには、前記制御装置は、前記交流電動モータに対する回生電流の制限値を前記第１制限値よりも高い第２制限値に設定して前記旋回台を高吸収トルクで速やかに減速させるように構成したことを特徴とする請求項４に記載の交流電動機駆動制御装置。
6. 前記制御装置は、前記旋回操作位置における前記操作レバーの中立位置からの操作量に応じて前記第１制限値及び前記第２制限値を可変設定することを特徴とする請求項５に記載の交流電動機駆動制御装置。
   
   

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