JPWO2011114765A1 - アクチュエータの制御装置およびこれを備えた作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回生時の振動を抑制することが可能なアクチュエータの制御装置を提供する。【解決手段】電動機の目標回転数を演算する目標速度演算手段(121)と、アクチュエータにかかる負荷を検出する負荷検出手段(2)と、負荷に基づいて電動機のトルク指令を演算するトルク指令演算手段(123)と、トルク指令から電動機に流す電流ベクトル指令を演算する電流指令演算手段(131)と、電流検出手段(5a)と、電流を電流ベクトルに変換する電流変換手段(132)と、電流ベクトル指令と電流ベクトルとの偏差に応じて電圧ベクトル指令を演算する電圧指令演算手段(133)と、電圧ベクトル指令を電圧指令に変換すると共に電圧指令を電動機の制御部に出力する電圧変換手段(134)とを備え、電流変換手段および電圧変換手段は、目標速度演算手段が演算した目標回転数に基づいて、それぞれの変換を行う。【選択図】図５

Description

本発明は、アクチュエータの制御装置に関し、特に電動機で駆動するアクチュエータを制御するのに好適な制御装置に関する。

電動機でアクチュエータを駆動する技術では、力行時において、電動機の発生するトルクによってアクチュエータを駆動する。また、回生時において、アクチュエータの反力トルクによって電動機を駆動し、電動機を発電機動作させることによって回生電力を得る。

特開２００６−３３６８４６号公報 特開２００６−３３６８４３号公報

このような電動機でアクチュエータを駆動する技術では、アクチュエータの反力トルクに対して電動機のトルクを調節することでアクチュエータの速度を制御するため、アクチュエータにかかる負荷の変動により、アクチュエータや電動機に振動が発生する可能性がある。また、回生時においては力行時よりも振動が発生しやすい。

回生時に振動が発生しやすくなる原因を、図１を用いて説明する。図中の横軸は電動機の回転数を、縦軸は電動機のトルクを示しており、等パワー曲線L1およびL2はそれぞれ一定パワーで力行および回生を行った場合の電動機の回転数に対する電動機のトルクの変化を表している。また、図中の直線L0は反力トルクを表しており、反力トルクよりも電動機のトルクが大きければ電動機の動作点は正転方向（図の右向き）へ移動し、反力トルクよりも電動機のトルクが小さければ電動機の動作点は逆転方向（図の左向き）へ移動する。

ここで、図右半面の力行時において、アクチュエータにかかる負荷が変動し、反力トルクが電動機のトルクよりも大きくなった場合を考えると、電動機の動作点は逆転方向へ移動するため、等パワー曲線L1上で電動機のトルクが自然と大きくなり、電動機のトルクと反力トルクが釣り合って電動機の回転数が一定となる。すなわち力行時は安定系であることが分かる。

一方で、図左半面の回生時において、アクチュエータにかかる負荷が変動し、反力トルクが電動機のトルクよりも大きくなった場合を考えると、電動機の動作点は逆転方向へ移動するため、等パワー曲線L2上で電動機のトルクが小さくなり、電動機の動作点はさらに逆転方向へ移動して電動機の回転数が一定にならない。すなわち回生時は不安定系であることが分かる。特に、回生時で反力トルクが電動機のトルクよりも大きくなっている場合においては、電動機の回転数が大きくなるほど、電動機の動作は益々不安定となり、大きな振動が発生する可能性が高い。このことは、電動機やアクチュエータの故障の原因となったり、あるいは、アクチュエータを駆動して何らかの作業を行っている場合には、作業の安全上の問題を引き起こす要因となったりする。よって、回生時の振動を抑えることが、非常に重要な課題となっている。

アクチュエータや電動機に発生する振動を抑制するために、例えば、特許文献１に記載の流体圧回路では、流体圧アクチュエータからの戻り流体が有するエネルギーを電動機により円滑に吸収できるとともに流体圧アクチュエータの安定した動作が得られるように、流量を制御する電磁弁を有している。しかしながら、特許文献１に記載の流体圧回路は、電磁弁により戻り流体の流量を絞るため圧力損失が比較的大きく、圧力損失分だけ回生電力が減るという課題が残されている。

また、特許文献２に記載の作業機械の制御装置では、流体圧アクチュエータと閉回路により接続された可変容量型ポンプの容量可変制御により、流体圧アクチュエータの少なくとも速度制御および圧力変動の抑制制御をするとともに、電動機の回転速度を大略的に制御する制御器を有している。しかしながら、特許文献２に記載の作業機械の制御装置は、可変容量型ポンプの容量を変化させるためのアクチュエータが必要であり、回路が複雑になるという課題がある。また、アクチュエータにかかる負荷の変動の周期が、可変容量型ポンプの容量可変制御の制御周期よりも早い場合は、流体圧アクチュエータの圧力変動を抑制できない可能性がある。

本発明の目的は、アクチュエータや電動機に発生する振動、特に回生時の振動を抑制することが可能なアクチュエータの制御装置およびこれを備えた作業機械を提供することにある。

上記した課題を解決するために、第１の発明は、電動機で駆動するアクチュエータを制御するためのアクチュエータの制御装置であって、前記アクチュエータの操作信号に基づいて前記電動機の目標回転数を演算する目標速度演算手段と、前記アクチュエータにかかる負荷を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段により検出された負荷に基づいて、前記電動機のトルク指令を演算するトルク指令演算手段と、前記トルク指令から前記電動機に流す電流ベクトル指令を演算する電流指令演算手段と、前記電動機に流れている三相電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段が検出した三相電流をｄ軸電流およびｑ軸電流（以下、ｄ軸電流およびｑ軸電流を「電流ベクトル」と言う）に変換する電流変換手段と、前記電流ベクトル指令と前記電流ベクトルとの偏差に応じて電圧ベクトル指令を演算する電圧指令演算手段と、前記電圧ベクトル指令を電圧指令に変換すると共に当該電圧指令を前記電動機の制御部に出力する電圧変換手段とを備え、前記電流変換手段および前記電圧変換手段は、前記目標速度演算手段が演算した目標回転数に基づいて、それぞれの変換を行うことを特徴とするアクチュエータの制御装置である。

また、第２の発明は、上記した発明において、前記トルク指令演算手段は、前記アクチュエータにかかる負荷の定常的な変化に対する電流の変化量よりも、前記アクチュエータにかかる負荷の瞬間的な変化に対する電流の変化量の方が小さくなるように、前記負荷検出手段が検出した負荷を平滑化した値を用いて前記電動機のトルク指令を演算することを特徴とするものである。

また、第３の発明は、上記した発明において、前記負荷検出手段が検出した負荷と前記目標速度演算手段が演算した目標回転数とに基づいて前記電動機の動作が力行または回生の何れであるかを判定する力行回生判定手段をさらに備え、前記力行回生判定手段による判定が回生の場合には、前記電流変換手段および前記電圧変換手段は、それぞれの変換を前記目標速度演算手段が演算した目標回転数に基づいて行う一方、前記力行回生判定手段による判定が力行の場合には、前記電流変換手段および前記電圧変換手段は、それぞれの変換を前記電動機の実回転数に基づいて行い、さらに、前記目標速度演算手段が演算した目標回転数および前記電動機の実回転数を積分する積分手段を備え、前記電流変換手段および前記電圧変換手段は、前記積分手段が積分した値に基づいてそれぞれの変換を行うことを特徴とするものである。

また、第４の発明は、上記した発明において、前記電動機として誘導機が用いられることを特徴とするものである。

また、第５の発明は、上記した発明において、前記トルク指令演算手段は、前記目標速度演算手段が演算した目標回転数をさらに参照してトルク指令を演算することを特徴とするものである。

また、第６の発明は、上記した発明において、前記トルク指令演算手段は、前記アクチュエータにかかる負荷に応じたトルクの時間平均値に、前記アクチュエータにかかる負荷の変動分に応じたトルクを予め足し合わせてトルク指令を演算することを特徴とするものである。

また、第７の発明は、上記した発明に係るアクチュエータの制御装置を備えた作業機械である。

本発明によれば、目標回転数に基づき電流変換および電圧変換を行うことで、電動機に印加される３相電圧の位相が目標速度に応じた角速度で変化するため、３相電圧の位相の変化速度すなわち目標回転数に応じた角速度に略同期して電動機が回転し、電動機およびアクチュエータの振動を抑制できる。また、アクチュエータの負荷を平滑化してトルク指令の演算を行うことによっても、アクチュエータにかかる負荷の定常的な変化に対する電流の変化量よりも、アクチュエータにかかる負荷の瞬間的な変化に対する電流の変化量の方が小さくなるように制御できるので、電動機およびアクチュエータの振動を抑制できることとなる。

また、本発明によれば、負荷に応じたトルクの時間平均値に負荷の変動分に応じたトルクを予め足し合わせるため、負荷に応じたトルクよりも電動機のトルクの方が大きくなり、電動機の脱調を防止できる。

回生時に振動が発生しやすくなる原因を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかるアクチュエータの制御装置を示す図である。 本発明の第１の実施形態に示すアクチュエータの制御装置を備えたフォークリフトの外観図である。 図２に示すコントローラの構成を説明するための図である。 図４に示す速度制御器の構成を説明するための図である。 図４に示すモータ制御器の構成を説明するための図である。 電動機として誘導機を用いた場合の効果を説明するための図である。 リフト下降時にＰＩ制御を行った結果を示す図である。 リフト下降時に第１の実施形態に示す制御を行った結果を示す図である。 リフト下降時に第１の実施形態に示す制御を行い瞬間的に外力を加えた結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかるアクチュエータの制御装置を示す図である。 図１１に示すコントローラの構成を説明するための図である。 図１２に示す速度制御器の構成を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態にかかるアクチュエータの制御装置を示す図である。 図１４に示すコントローラの構成を説明するための図である。 図１５に示す速度制御器の構成を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態にかかるアクチュエータの制御装置を示す図である。 本発明の第４の実施形態に示すアクチュエータの制御装置を備えたバッテリショベルの外観図である。

図２は、第１の実施形態にかかるアクチュエータの制御装置を説明する図である。アクチュエータの制御装置としてのコントローラ１００は、レバー１に取り付けられた図示しないポテンショメータからレバー１の操作量に応じたレバー信号を受信し、圧力センサ（負荷検出手段）２から油圧シリンダ（アクチュエータ）３の圧力に応じた圧力信号を受信し、電動機４に取り付けられた図示しないエンコーダから電動機４の回転数を受信し、インバータ５が有する電流センサ（電流検出手段）５ａから３相電流を受信する。

コントローラ１００は、受信したレバー信号、圧力信号、回転数、３相電流を基に３相電圧指令と保持解除信号を演算して、３相電圧指令をインバータ５へ送信し、保持解除信号を電磁式切換弁６へ送信する。コントローラ１００で行う演算の詳細は後述する。また、インバータ５は、３相電圧指令に応じて、電動機４に電圧を印加し電動機４を駆動する。電磁式切換弁６は通常は閉じており、保持解除信号に応じて（つまり、保持解除信号がＯＮで）開き、油圧ポンプモータ７と油圧シリンダ３を連通する。

レバー１がリフト上昇側へ操作されると、インバータ５は蓄電装置８の電力を消費して電動機４を正転力行させる。油圧ポンプモータ７は電動機４に連結されており、正転することでオイルタンク９のオイルを吸い上げ、油圧シリンダ３側へ吐出する。なお、油圧ポンプモータ７の吐出圧力が配管の耐圧を超えないように、油圧ポンプモータ７と電磁式切換弁６の間にリリーフ弁１０を備えている。

油圧シリンダ３は、油圧ポンプモータ７から供給されるオイルにより伸張し、図示しないマスト外枠に沿って図示しないマスト内枠を上昇させる。マスト内枠の上部には動滑車１１が備え付けられており、マスト内枠と共に動滑車１１が動くと、動滑車１１にかけられたリフトチェーン１２を介してリフトチェーン１２の先端に備え付けられたフォーク１３が上昇する。

レバー１がリフト下降側へ操作されると、フォーク１３は自重および荷重により下降し、リフトチェーン１２、動滑車１１、マスト内枠を介して油圧シリンダ３を圧縮する。油圧シリンダ３は、圧縮されることによりオイルを吐出し、電磁式切換弁６を介して油圧ポンプモータ７へオイルを供給する。油圧ポンプモータ７は供給されるオイルによりモータ動作を行って、電動機４を逆転させる。このとき、インバータ５は電動機４を発電制御し、発電した電力を蓄電装置８へ供給する。

図２を用いて説明したアクチュエータの制御装置を備えたフォークリフト（作業機械）の外観図を図３に示す。オペレータはレバー１を操作することでマスト外枠に沿って図示しない油圧シリンダを伸縮させ、フォーク１３を上昇、下降させることができる。

次に、コントローラ（アクチュエータの制御装置）１００の構成を図４に示す。コントローラ１００は、保持解除判定器１１０、速度制御器１２０、モータ制御器１３０から構成される。保持解除判定器１１０は、レバー信号の絶対値が予め設定された閾値以上で一定時間T₁経過すると保持解除信号をＯＮとし、レバー信号の絶対値が予め設定された閾値よりも小さくなると保持解除信号をＯＦＦにする。ここで、一定時間T₁は、電磁切換弁６前後の圧力を釣り合わせるまでの時間を考慮して予め設定されるものである。そのため、圧力信号に応じて、圧力信号が大きいほど一定時間T₁が大きくなるようにしてもよいし、電動機４の回転数が高いほど一定時間T₁が小さくなるようにしてもよい。また、油圧ポンプモータ７と電磁式切換弁６の間の圧力を検出、若しくは推定する手段を別途備え、電磁式切換弁６前後の圧力が略一致すると保持解除信号をＯＮにするようにしてもよい。

速度制御器１２０は、保持解除信号、レバー信号、圧力信号および回転数を基にトルク指令と変換用回転数を演算し、出力する。速度制御器１２０で行う演算の詳細は後述する。また、モータ制御器１３０は、トルク指令、変換用回転数および３相電流を基に３相電圧指令を演算し、出力する。モータ制御器１３０で行う演算の詳細も後述する。

速度制御器１２０の構成を図５に示す。速度制御器１２０は、目標速度演算器（目標速度演算手段）１２１、力行回生判定器１２２、トルク指令演算器（トルク指令演算手段）１２３および回転数切換器１２４で構成される。

目標速度演算器１２１は、保持解除信号v_vとレバー信号v_lを基に（１）式から目標回転数n_tを演算する。

ただし、 K₁はレバー操作量に対して適度なリフト速度が得られるように予め設定する比例定数である。またK₀は油圧ポンプモータ７を予圧する速度に関係する比例定数で、レバー操作に対してリフトが適度な範囲で遅れて動作するように予め設定する。なお、目標速度演算器１２１は、上記したように電動機４の目標回転数n_tを演算しているが、（１）式から明らかなように、目標回転数n_tの演算には、比例定数K₁ またはK₀を用いていることから、電動機４の目標回転数n_tの演算は、アクチュエータである油圧シリンダ３の目標速度に基づいて定められていると言うこともできる。

上記の（１）式から、保持解除信号v_vがＯＮの場合はレバー信号v_lの符号に応じた方向に目標回転数n_tが設定され、保持解除信号v_vがＯＦＦの場合はレバー信号v_lの符号に因らず目標回転数n_tが正転方向に設定される。そのため、レバー信号v_lが入力され、保持解除信号v_vがＯＦＦの場合は油圧ポンプモータ７と電磁式切換弁６の間の圧力が徐々に高くなる。ここで、保持解除信号v_vがＯＦＦからＯＮへ変化したとき、目標回転数n_tが急激に変化することに起因するリフト速度の急変を防止するため、（１）式の目標回転数n_tにローパスフィルタまたはレートリミッタを施した値を改めて目標回転数n_tにしてもよい。

力行回生判定器１２２は、目標回転数n_tと圧力信号p_cを基に（２）式から力行回生判定f_dを演算する。

ただしsignは符号関数で、引数が正であれば1、負であれば-1、0であれば0を返す。p_tはオイルタンク９内の圧力で大気圧に設定する。力行回生判定f_dが1または0であれば力行、-1であれば回生を表す。

トルク指令演算器１２３は、圧力信号p_c、目標回転数n_tおよび回転数n_mを基に（３）式および（４）式からトルク指令T_tを演算する。なお、力行回生判定f_dに応じて力行時は（３）式を用い、回生時は（４）式を用いる。

ただし、D_pは油圧ポンプモータ７の単位角度当たりの押しのけ容積を表しており、（３）式の右辺第１項はリフト静止時の油圧ポンプモータ７の反力トルクに相当する。sはラプラス演算子である。K_p、K_iは公知のＰＩ制御のそれぞれ比例ゲイン、積分ゲインであり、予め適切な値に設定しておく。また、K_cは目標回転数に対するフィードフォワードゲインであり、（４）式の右辺第２項が電磁式切換弁６の圧力損失分に見合ったトルクとなるように予め適切な値に設定しておく。τ₁は時定数であり、圧力信号を平滑化できるように予め適切な値に設定しておく。

また、T_vは変動吸収トルクであり、リフト速度の変動によって油圧ポンプモータ７の反力トルクが一時的に変動した場合であっても、電動機４が脱調しないように予め適切な値に設定しておく。つまり、トルク指令演算器１２３は、油圧シリンダ３にかかる負荷に応じたトルクの時間平均値に、油圧シリンダ３にかかる負荷の変動分に応じたトルクを予め足し合わせてトルク指令T_tを演算しているのである。

回転数切換器１２４は、力行回生判定f_dに応じて、力行時は回転数n_mを回生時は目標回転数n_tを変換用回転数として出力する。

モータ制御器１３０の構成を図６に示す。モータ制御器１３０は、電流指令演算器（電流指令演算手段）１３１、電流変換器（電流変換手段）１３２、電流制御器（電圧指令演算手段）１３３、電圧変換器（電圧変換手段）１３４および積分器（積分手段）１３５で構成される。積分器１３５は、変換用回転数を積分した角度を、等価な0〜2πの値に変換し、回転子位相φ_mとして出力する。電流指令演算器１３１ではトルク指令T_tを基に予め設定したトルク-電流変換マップから電流ベクトル指令(i_dt, i_qt)^Tを演算する。ただし、添え字のTは転置を表す。ここで、トルク-電流変換マップは、高効率に所望のトルクが得られる電流ベクトル指令(i_dt, i_qt)^Tのマップとして、実験などにより予め設定しておく。

電流変換器１３２は、検出した３相電流(i_u, i_v, i_w) ^Tを基に回転子位相φ_mを用いて（５）式から公知の三相二相変換および公知のdq変換を行って、電流ベクトル(i_d, i_q)^Tを演算し、出力する。

電流制御器１３３は、電流ベクトル(i_d, i_q)^Tが電流ベクトル指令(i_dt, i_qt)^Tに一致するように、公知のＰＩ制御などにより電圧ベクトル指令(v_dt, v_qt)^Tを演算する。

電圧変換器１３４は、電圧ベクトル指令(v_dt, v_qt)^Tを基に回転子位相φ_mを用いて（６）式から公知のdq逆変換および公知の二相三相変換を行って、３相電圧指令(v_u, v_v, v_w) ^Tを演算し、出力する。

以上のように、モータ制御器１３０は、トルク指令および３相電流から３相電圧指令を演算し、３相電圧指令の位相は速度制御器１２０から与えられる変換用回転数に応じて変化する。回生時に目標回転数が変換用回転数に設定された場合、３相電圧指令の位相は目標回転数に応じた角速度で変化する。そのため、電動機４は３相電圧指令の位相の変化速度すなわち目標回転数と略同期して回転し、電動機４の振動を抑制できる。

このとき、速度制御器１２０のトルク指令演算器１２３で、電動機４のトルクが油圧ポンプモータ７の反力トルク以上となるようにトルク指令を演算している。より詳細に言うと、（４）式に示すように、変動吸収トルクT_vを正の値として加えてトルク指令T_tが演算されている。これにより、電動機４の脱調を防止できることとなる。なお、電動機４として誘導機を用いた場合には、電動機４として同期機を用いた場合に比べて、その変動吸収トルクT_vの値を小さくすることができる。

次に、電動機４として誘導機を用いて、目標回転数n_tを変換用回転数とした場合の効果を、図７を使って説明する。図７（ａ）の点線で示した軸は目標回転数n_tを積分して得た回転子位相（以下、目標回転子位相と称す）上に固定した目標回転子座標である。電流ベクトル指令は、目標回転子座標上のd軸（磁束方向の軸）に対してある電流位相を持った第１象限にあるベクトルであり、図中のd軸電流指令、q軸電流指令はそれぞれ電流ベクトル指令のi_dt、i_qtに相当する。また、電動機４のトルクT_mは電流ベクトルを基に（７）式によって決まることが知られている。

ただし、P_fは極対数、Mは相互インダクタンス、L₂は2次巻線のインダクタンスである。

また、Ψは磁束であり、d軸電流を基に（８）式によって決まる。

ただし、r₂は2次巻線抵抗である。

ここで、油圧ポンプモータ７の反力トルクが一時的に変動し、図７（ｂ）の実線で示した軸のように実回転子座標が目標回転子座標から一時的に位相偏差分ずれた場合を考える。電流ベクトル指令は目標回転子座標を基準に電流位相を持ったベクトルとして与えられるが、実際の電流ベクトルは実回転子座標を基準に形成されるため、実際のd軸電流i_d、q軸電流i_qは位相偏差分だけ指令値よりも増減する。目標回転子位相よりも実回転子位相が遅れた場合はd軸電流i_dが減少し、q軸電流i_qが増加し、目標回転子位相よりも実回転子位相が進んだ場合はd軸電流i_dが増加し、q軸電流i_qが減少する。

このとき（８）式から磁束Ψはd軸電流i_dの変化から遅れて変化するため、瞬間的には磁束Ψは変化することはなく、（７）式からq軸電流i_qの変化によって電動機４のトルクT_mが増減する。例えば、図７（ｂ）に示すように、目標回転子位相よりも実回転子位相が遅れた場合には、q軸電流i_qが増加する。q軸電流i_qの値が増加すると、（７）式から明らかなように、電動機４のトルクT_mが増加する。この増加したトルクT_mの作用により、実回転子位相は、図７（ｂ）の座標の中心から反時計回りの方向に進んで目標回転子位相に一致するようになる。

この効果により、目標回転子位相と実回転子位相が一致する方向に電動機４のトルクT_mが自動調節され、油圧ポンプモータ７の反力トルクが一時的に変動した場合であっても、電動機４の回転数n_mを目標回転数n_tと略一致させ、電動機４の振動を抑制できる。

リフト下降時においても、力行時の制御方法として示したＰＩ制御を行った結果を図８に、本実施形態に示した制御を行った結果を図９に示す。図８を見ると、時間Ｔ_Ａからリフト下降を始め、実リフト速度が負となっているが、実リフト速度が目標リフト速度に一致せず、振動的になっている。なお、目標リフト速度は目標回転数を基に別途算出したものを示している。また、実リフト速度を目標リフト速度に一致させるように電動機４のトルク指令を増減させるため、インバータ５の直流側電流であるＤＣ電流も振動的になっている。これはＰＩ制御のゲインが適切に設定されていないためであると考えられる。しかし、電動機のトルクに対するリフト速度の応答特性は、荷物質量やリフト揚程およびオイルの温度などに応じて大きく変わるため、すべての条件に対してＰＩ制御のゲインを適切に設定することは困難である。

一方で図９を見ると、時間T_Bでリフト下降を始めてから停止するまで、実リフト速度が目標リフト速度に略一致しており、安定したリフト速度が得られている。また、目標リフト速度に対してトルク指令が略一定に保たれるため、ＤＣ電流も安定している。

リフト下降時において、本実施形態に示した制御を行い、途中で荷物に対して瞬間的に外力を加えた結果を図１０に示す。図中の点線で囲まれたＣにおいて、荷物に外力を加えており、瞬間的に圧力信号が大きくなっている。しかしながら、トルク指令演算器において圧力信号を平滑化した値を使ってトルク指令を演算しているため、トルク指令はほぼ変化せず、ＤＣ電流もほぼ変化していない。また、油圧ポンプモータ７の反力トルクの変動に対して予め変動吸収トルクを設定していること、さらに電動機４として誘導機を用いた場合は前述した効果によって電動機４のトルクが自動調節されることから、安定したリフト速度を得られている。

次に、図１１は、第２の実施形態にかかるアクチュエータの制御装置を説明する図である。第２の実施形態では、第１の実施形態で用いた油圧シリンダに替えて、機械式アクチュエータ２１を用いる。以下、第１の実施形態と同一の箇所には同一の符号を付けて、その詳しい説明は省略する。コントローラ（アクチュエータの制御装置）２００は、レバー１に取り付けられた図示しないポテンショメータからレバー１の操作量に応じたレバー信号を受信し、ロードセル（負荷検出手段）２２から機械式アクチュエータ２１の負荷に応じた負荷信号を受信し、電動機４に取り付けられた図示しないエンコーダから電動機４の回転数を受信し、インバータ５が有する電流センサ５ａから３相電流を受信する。ここで、機械式アクチュエータ２１は公知のボールねじであってもよく、回転運動を並進運動に変換できる機構であればよい。

コントローラ２００は、受信したレバー信号、負荷信号、回転数、３相電流を基に３相電圧指令と保持解除信号を演算して、３相電圧指令をインバータ５へ送信し、保持解除信号を保持機２３へ送信する。ここで保持機２３は例えば摩擦ブレーキであり、電動機４に内蔵されていてもよい。コントローラ２００で行う演算の詳細は後述する。また、インバータ５は３相電圧指令に応じて、電動機４に電圧を印加して電動機４を駆動する。保持機２３は通常は保持状態であり、保持解除信号に応じて（保持解除信号がＯＮになると）保持を解除し、ギア２４を介して電動機４の動力を機械式アクチュエータ２１へ伝える。

レバー１がリフト上昇側へ操作されると、インバータ５は蓄電装置８の電力を消費して電動機４を正転力行させる。ギア２４は電動機４に連結されており、正転することで機械式アクチュエータ２１へ電動機４の動力を伝える。機械式アクチュエータ２１は電動機４からギア２４を介して伝えられる動力により伸張し、マスト外枠２５に沿ってマスト内枠２６を上昇させる。マスト内枠２６の上部には動滑車１１が備え付けられており、マスト内枠２６と共に動滑車１１が動くと、動滑車１１にかけられたリフトチェーン１２を介してリフトチェーン１２の先端に備え付けられたフォーク１３が上昇する。

レバー１がリフト下降側へ操作されると、フォーク１３は自重および荷重により下降し、リフトチェーン１２、動滑車１１、マスト内枠２６を介して機械式アクチュエータ２１を下側へ押す。機械式アクチュエータ２１は、下側へ押されることによりギア２４を逆転させる動力を発生し、発生した動力はギア２４を介して電動機４へ伝えられる。このときインバータ５は電動機４を発電制御し、蓄電装置８へ電力を供給する。

コントローラ２００の構成を図１２に示す。コントローラ２００は、保持解除判定器１１０、速度制御器２２０、モータ制御器１３０から構成される。コントローラ２００で行う演算は圧力信号が負荷信号に変わった点以外は第１の実施形態に示したコントローラ１００で行う演算と同一であり、異なる点のみを説明する。

速度制御器２２０の構成を図１３に示す。速度制御器２２０は目標速度演算器１２１、力行回生判定器２２２、トルク指令演算器（トルク指令演算手段）２２３および回転数切換器１２４で構成される。力行回生判定器２２２は目標回転数n_tと負荷信号f_cを基に（９）式から力行回生判定f_dを演算する。

トルク指令演算器２２３は、負荷信号f_c、目標回転数n_tおよび回転数n_mを基に（１０）式および（１１）式からトルク指令T_tを演算する。なお、力行回生判定f_dに応じて力行時は（１０）式を用い、回生時は（１１）式を用いる。

ただし、R_rは比例定数でギアの減速比や機械式アクチュエータ２１のリードから予め算出する。また（３）式と同様に（１０）式の右辺第１項はリフト静止時の電動機４にかかる反力トルクに相当する。K_c2は目標回転数に対するフィードフォワードゲインであり、（１１）式の右辺第２項がギア２４や機械式アクチュエータ２１の摩擦損失に見合ったトルクとなるように予め適切な値に設定しておく。

以上の構成により、機械式アクチュエータ２１を用いた第２の実施形態においても安定したリフト速度を得ることができる。

次に、図１４は、第３の実施形態にかかるアクチュエータの制御装置を説明する図である。第３の実施形態は、油圧アクチュエータを備えた作業機械に対し、従来の油圧回路の変更を少なくして本発明を適用した一例である。なお、以下の説明において、第１の実施形態と同一の箇所には同一の符号を付けて、その詳細は省略する。

レバー１がリフト上昇側（図の右側）へ操作されると、レバー１に機械的に連結された制御弁３１を介して油圧ポンプ３２と油圧シリンダ３が連通される。油圧ポンプ３２は電動機３３に連結されおり、正転することでオイルタンク９のオイルを吸い上げ、油圧シリンダ３側へ吐出する。油圧シリンダ３へ供給されるオイルの流量は制御弁３１の開度、すなわちレバー１の操作量によって調節できる。

レバー１には図示しないチョッパスイッチが取り付けられており、レバー１がリフト上昇側へ操作されるとチョッパスイッチがＯＮになって、チョッパ３４が蓄電装置８の電力を消費して電動機３３を正転力行させる。ここではチョッパスイッチをＯＮ／ＯＦＦ式としたが、レバー１の操作量に応じてチョッパ３４が電動機３３に印加する電圧が増加するように、リニア式のチョッパスイッチにしてもよい。なお、制御弁３１と油圧ポンプ３２の間にオイルの逆流を防止する逆止弁３５を備えている。

一方、レバー１がリフト下降側（図の左側）へ操作されると、レバー１に機械的に連結された制御弁３１を介して油圧シリンダ３とオイルタンク９が連通され、油圧シリンダ３が吐出したオイルは制御弁３を介してオイルタンク９へ還流する。油圧シリンダ３からオイルタンク９へ還流するオイルの流量は制御弁３１の開度、すなわちレバー１の操作量によって調節できる。なお、制御弁３１とオイルタンク９の間にオイルの逆流を防止する逆止弁３６を備えている。以上が従来の油圧回路構成の一例である。

第３の実施形態では、油圧シリンダ３と制御弁３１の間に電磁式切換弁３７を備える。電磁式切換弁３７は、通常は油圧シリンダ３と制御弁３１を連通しているが、レバー１がリフト下降側へ操作されると、コントローラ（アクチュエータの制御装置）３００が出力する回生信号に応じて、回生信号がＯＮの場合は油圧シリンダ３と油圧モータ３８を連通する。油圧モータ３８は電動機４と連結されており、油圧シリンダ３から供給されるオイルによりモータ動作を行って電動機４を回転させる。

このとき、コントローラ３００は、レバー１に取り付けられた図示しないポテンショメータからレバー１の操作量に応じたレバー信号を受信し、圧力センサ２から油圧シリンダ３の圧力に応じた圧力信号を受信し、インバータ５が有する電流センサ５ａから３相電流を受信し、図示しない回生許可スイッチから回生許可信号を受信する。コントローラ３００は、受信したレバー信号、圧力信号、３相電流、回生許可信号を基に３相電圧指令と回生信号を演算して、３相電圧指令をインバータ５へ送信し、回生信号を電磁式切換弁３７へ送信する。コントローラ３００で行う演算の詳細は後述する。インバータ５は、３相電圧指令に応じて電動機４を発電制御し、発電した電力を蓄電装置８へ供給する。

コントローラ３００の構成を図１５に示す。コントローラ３００は、回生判定器３１０、速度制御器３２０、モータ制御器３３０から構成される。回生判定器３１０は、回生許可信号がＯＮかつレバー信号の絶対値が予め設定された閾値以上であれば回生判定信号をＯＮとし、回生許可信号がＯＦＦまたはレバー信号の絶対値が予め設定された閾値よりも小さければ回生判定信号をＯＦＦにする。

速度制御器３２０は、回生判定信号、レバー信号、圧力信号を基にトルク指令と目標回転数を演算し、出力する。速度制御器３２０で行う演算の詳細は後述する。また、モータ制御器３３０は、トルク指令、目標回転数および３相電流を基に３相電圧指令を演算し、出力する。モータ制御器３３０で行う演算は、変換用回転数が目標回転数に変わったこと以外は、第１の実施形態に記述したモータ制御器１３０と同一であるため、その詳細説明を省略する。

速度制御器３２０の構成を図１６に示す。速度制御器３２０は、目標速度演算器（目標速度演算手段）３２１、トルク指令演算器（トルク指令演算手段）３２３で構成される。目標速度演算器３２１は回生判定信号v_vとレバー信号v_lを基に(１２)式から目標回転数n_tを演算する。

ただし、 K₁はレバー操作量に対して適度なリフト下降速度が得られるように予め設定する比例定数である。

トルク指令演算器３２３は、圧力信号p_c、目標回転数n_tを基に第１の実施形態に記述した（４）式からトルク指令T_tを演算する。

以上の構成により、油圧アクチュエータを備えた作業機械に対し、従来の油圧回路の変更を少なくして本発明を適用した第３の実施形態において、回生時に安定したアクチュエータ速度を得ることができる。

図１７は、第４の実施形態にかかるアクチュエータの制御装置を説明する図である。第４の実施形態は、本発明をバッテリショベル（作業機械）に適用した場合の一例である。なお、適用先がバッテリショベルであること以外は第３の実施形態と同様であるため、第３の実施形態と同一の箇所には同一の符号を付けて、その説明は省略する。

メインコントローラ５００は図示しないレバーや図示しないペダルなどからオペレータの操作信号を受信し、蓄電装置８が有する図示しない電圧センサから電圧信号を受信し、これらを基にポンプ回転数指令、旋回速度指令を演算し、ポンプ回転数指令をポンプ用インバータ４１へ、旋回速度指令を旋回用インバータ４２へ送信する。メインコントローラ５００で行う演算は本発明に直接関係しないため、その詳細説明を省略する。

ポンプ用インバータ４１はポンプ回転数指令に応じてポンプ用電動機４３を駆動する。ポンプ用電動機４３には油圧ポンプ４４が直結されており、油圧ポンプ４４は正転することでオイルタンク９のオイルを吸い上げ、制御弁４５を介して走行用左油圧モータ４６ａ、走行用右油圧モータ４６ｂ、バケットシリンダ４７ａ、アームシリンダ４７ｂ、ブームシリンダ４７ｃへオイルを供給する。

制御弁４５は図示しないレバーや図示しないペダルなどと図示しない油圧回路を介して接続されており、オペレータの操作に応じて走行用左油圧モータ４６ａ、走行用右油圧モータ４６ｂ、バケットシリンダ４７ａ、アームシリンダ４７ｂ、ブームシリンダ４７ｃへオイルを配分する。制御弁４５の動作は本発明と直接関係しないため、その詳細説明を省略する。旋回用インバータ４２は旋回速度指令に応じて旋回用電動機４８を駆動する。旋回用電動機４８は図示しない減速機を介して図示しない上部旋回体と機械的に接続されており、図示しない上部旋回体を回転させる。

第４の実施形態では、ブームシリンダ４７ｃと制御弁４５の間に電磁式切換弁３７を備える。電磁式切換弁３７は通常はブームシリンダ４７ｃと制御弁４５を連通しているが、図示しないレバーがブーム下降側へ操作されると、コントローラ３００が出力する回生信号に応じて、回生信号がＯＮの場合はブームシリンダ４７ｃと油圧モータ３８を連通する。油圧モータ３８は電動機４と連結されており、ブームシリンダ４７ｃから供給されるオイルによりモータ動作を行って電動機４を回転させる。

このとき、コントローラ３００は、図示しないレバーに取り付けられた図示しないポテンショメータから図示しないレバーの操作量に応じたレバー信号を受信し、圧力センサ２からブームシリンダ４７ｃの圧力に応じた圧力信号を受信し、インバータ５が有する電流センサ５ａから３相電流を受信し、図示しない回生許可スイッチから回生許可信号を受信する。コントローラ３００の演算、および動作は第３の実施形態と同様のため、その説明を省略する。インバータ５はコントローラ３００から送信される３相電圧指令に応じて電動機４を発電制御し、発電した電力を蓄電装置８へ供給する。

図１７を用いて説明した第４の実施形態にかかるアクチュエータの制御装置を備えたバッテリショベルの外観図を図１８に示す。オペレータはキャブ４９内の図示しないレバーを操作することでバケットシリンダ４７ａ、アームシリンダ４７ｂ、ブームシリンダ４７ｃを伸縮させ、掘削作業を行うことができる。

以上の構成により、バッテリショベルに対して本発明を適用した第４の実施形態において、回生時に安定したブーム下降速度を得ることができる。

以上の第１〜３の実施形態では、フォークリフトに対して本発明を適用した例を示し、第４の実施形態ではバッテリショベルへ本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限定するものではなく、他の電動機でアクチュエータを駆動する制御装置、例えばエンジンと蓄電装置を有するハイブリッド建設機械にも適用可能である。

２…圧力センサ（負荷検出手段）、３…油圧シリンダ（アクチュエータ）、４…電動機、５ａ…電流センサ（電流検出手段）、２２…ロードセル（負荷検出手段）、１００，２００，３００…コントローラ（アクチュエータの制御装置）、１２１，３２１…目標速度演算器（目標速度演算手段）、１２２，２２２…力行回生判定器（力行回生判定手段）、１２３，２２３，３２３…トルク指令演算器（トルク指令演算手段）、１２４…回転数切換器、１３１…電流指令演算器（電流指令演算手段）、１３２…電流変換器（電流変換手段）、１３３…電流制御器（電圧指令演算手段）、１３４…電圧変換器（電圧変換手段）、１３５…積分器（積分手段）

Claims (7)

1. 電動機で駆動するアクチュエータを制御するためのアクチュエータの制御装置であって、
   前記アクチュエータの操作信号に基づいて前記電動機の目標回転数を演算する目標速度演算手段と、
   前記アクチュエータにかかる負荷を検出する負荷検出手段と、
   前記負荷検出手段により検出された負荷に基づいて、前記電動機のトルク指令を演算するトルク指令演算手段と、
   前記トルク指令から前記電動機に流す電流ベクトル指令を演算する電流指令演算手段と、
   前記電動機に流れている三相電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段が検出した三相電流をｄ軸電流およびｑ軸電流（以下、ｄ軸電流およびｑ軸電流を「電流ベクトル」と言う）に変換する電流変換手段と、
   前記電流ベクトル指令と前記電流ベクトルとの偏差に応じて電圧ベクトル指令を演算する電圧指令演算手段と、
   前記電圧ベクトル指令を電圧指令に変換すると共に当該電圧指令を前記電動機の制御部に出力する電圧変換手段と
   を備え、
   前記電流変換手段および前記電圧変換手段は、前記目標速度演算手段が演算した目標回転数に基づいて、それぞれの変換を行うことを特徴とするアクチュエータの制御装置。
2. 請求項１の記載において、
   前記トルク指令演算手段は、前記アクチュエータにかかる負荷の定常的な変化に対する電流の変化量よりも、前記アクチュエータにかかる負荷の瞬間的な変化に対する電流の変化量の方が小さくなるように、前記負荷検出手段が検出した負荷を平滑化した値を用いて前記電動機のトルク指令を演算する
   ことを特徴とするアクチュエータの制御装置。
3. 請求項１または２の記載において、
   前記負荷検出手段が検出した負荷と前記目標速度演算手段が演算した目標回転数とに基づいて前記電動機の動作が力行または回生の何れであるかを判定する力行回生判定手段をさらに備え、
   前記力行回生判定手段による判定が回生の場合には、前記電流変換手段および前記電圧変換手段は、それぞれの変換を前記目標速度演算手段が演算した目標回転数に基づいて行う一方、前記力行回生判定手段による判定が力行の場合には、前記電流変換手段および前記電圧変換手段は、それぞれの変換を前記電動機の実回転数に基づいて行い、
   さらに、前記目標速度演算手段が演算した目標回転数および前記電動機の実回転数を積分する積分手段を備え、
   前記電流変換手段および前記電圧変換手段は、前記積分手段が積分した値に基づいてそれぞれの変換を行うことを特徴とするアクチュエータの制御装置。
4. 請求項３の記載において、
   前記電動機として誘導機が用いられることを特徴とするアクチュエータの制御装置。
5. 請求項３の記載において、
   前記トルク指令演算手段は、前記目標速度演算手段が演算した目標回転数をさらに参照してトルク指令を演算することを特徴とするアクチュエータの制御装置。
6. 請求項３の記載において、
   前記トルク指令演算手段は、前記アクチュエータにかかる負荷に応じたトルクの時間平均値に、前記アクチュエータにかかる負荷の変動分に応じたトルクを予め足し合わせてトルク指令を演算することを特徴とするアクチュエータの制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータの制御装置を備えた作業機械。

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