WO2009144803A1

WO2009144803A1 - 旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械

Info

Publication number: WO2009144803A1
Application number: PCT/JP2008/059938
Authority: WO
Inventors: 公則佐野; 博三庄野
Original assignee: 住友建機株式会社; 住友重機械工業株式会社
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-03
Also published as: CN102046889A; JPWO2009144803A1; EP2287406A4; EP2287406B1; US8437923B2; KR101229330B1; EP2287406A1; CN102046889B; KR20110013426A; US20110071739A1; JP5090527B2

Abstract

　電動機で旋回駆動される建設機械の旋回機構を駆動制御する旋回駆動制御装置であって、建設機械の操作部を介して入力される操作量に基づき、前記電動機の回転速度を制御するための速度指令を出力する速度指令出力部と、前記旋回機構の回転軸にかかるトルクの方向を検出するトルク方向検出部と、前記速度指令出力部から出力される速度指令に基づき、前記電動機を駆動するための駆動指令を生成し、前記電動機の駆動制御を行う駆動制御部とを含み、前記駆動制御部は、前記旋回機構の旋回を開始させる際には、前記速度指令出力部から出力される速度指令によって表される旋回方向と、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向とが逆方向である場合に、前記駆動指令を用いて前記電動機の駆動を開始する。

Description

旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械

　本発明は、建設機械の旋回機構の駆動制御を行う旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械に関する。

　従来より、上部旋回体を旋回させるための旋回機構の動力源として電動機を備える建設機械が提案されている。このような建設機械では、電動機の力行運転で旋回機構を加速（駆動）するとともに、旋回機構を減速（制動）する際に回生運転を行い、発電される電力をバッテリに充電している（例えば、特許文献１）。また、この特許文献１に記載された建設機械は、旋回機構以外の駆動機構を油圧で駆動するために油圧ポンプを備えるが、この油圧ポンプを駆動するためのエンジンに増速機を介して発電機を接続し、発電で得る電力をバッテリの充電と旋回機構の電動機の駆動に用いている。
特開平２００４－０３６３０３号公報

　ところで、上部旋回体にはブーム及びアーム等の長尺の作業要素が搭載されており、さらにアームの先端にはバケットが接続されている。ブームやアームは長尺であり、また、その先端に接続されるバケットは非常に重いため、上部旋回体が旋回状態から停止した直後には、ブーム、アーム、及びバケットに旋回方向の振動が発生する。

　このように振動が発生している状態で再度旋回を行う場合に、振動の方向と旋回方向が同一方向である状態で旋回を開始すると、ブーム、アーム、及びバケットが旋回方向に対して遅れる方向に揺り返され、これによって振動が増幅される（あるいは新たな振動が発生する）ため、スムーズに旋回を開始できず、乗り心地が悪化する場合があるという課題があった。

　また、このような振動の増幅は、バケットに土砂等を積載している場合や、バケットよりも重量の嵩むリフティングマグネットを取り付けている場合には、より顕著になる可能性があった。

　また、このようにスムーズに旋回を開始できない場合には、旋回機構のギアのバックラッシュによる衝撃が生じる可能性がある。

　このようなバックラッシュによる歯打ちが生じると、上部旋回体に大きな衝撃が伝達し、旋回駆動を滑らかに立ち上げることができず、乗り心地が悪化するという課題があった。また、バックラッシュの歯打ちが続くと、旋回機構のギアが損傷するという課題があった。

　本発明は、旋回開始時における乗り心地が良好で旋回機構の長寿命化を実現できる旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を提供することを課題とする。

　本発明の一局面の旋回駆動制御装置は、電動機で旋回駆動される建設機械の旋回機構を駆動制御する旋回駆動制御装置であって、建設機械の操作部を介して入力される操作量に基づき、前記電動機の回転速度を制御するための速度指令を出力する速度指令出力部と、前記旋回機構の回転軸にかかるトルクの方向を検出するトルク方向検出部と、前記速度指令出力部から出力される速度指令に基づき、前記電動機を駆動するための駆動指令を生成し、前記電動機の駆動制御を行う駆動制御部とを含み、前記駆動制御部は、前記旋回機構の旋回を開始させる際には、前記速度指令出力部から出力される速度指令によって表される旋回方向と、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向とが逆方向である場合に、前記駆動指令を用いて前記電動機の駆動を開始する。

　また、前記駆動制御部は、前記操作部が操作された場合に、前記速度指令出力部から出力される速度指令によって表される旋回方向と、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向とが同一方向である場合は、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向が前記旋回方向と逆方向になってから、前記電動機の駆動を開始してもよい。

　また、前記駆動制御部は、前記速度指令出力部から出力される速度指令によって表される旋回方向と、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向とが同一方向である場合は、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向が前記旋回方向と逆方向になるまで、前記駆動指令の値を絶対値で所定値以下にしてもよい。

　また、この場合に、前記駆動制御部は、前記駆動指令によって前記電動機で発生する駆動トルクが許容値以下になるように前記駆動指令の値を絶対値で制限する制限部を含み、前記許容値を絶対値で通常値よりも低下させることにより、前記駆動指令の値を絶対値で所定値以下にしてもよい。

　また、前記トルク方向検出部は、前記回転速度検出部で検出される前記電動機の回転速度の時間変化量を演算し、当該回転速度の時間変化量で表される加速度の方向を前記トルク方向として検出してもよい。

　また、この代わりに、前記トルク方向検出部は、前記駆動指令生成部で生成される駆動指令によって表される加速度の方向を前記トルク方向として検出してもよい。

　また、この代わりに、前記旋回機構の旋回によって生じる加速度を検出する加速度計を含み、前記トルク方向検出部は、前記加速度計によって検出される加速度の方向に基づいて前記トルク方向として検出してもよい。

　本発明の一局面の建設機械は、前記いずれかに記載の旋回駆動制御装置を含む。

　本発明によれば、旋回開始時における乗り心地が良好で旋回機構の長寿命化を実現できる旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を提供できるという効果が得られる。

実施の形態１の旋回駆動制御装置を含む建設機械を示す側面図である。実施の形態１の旋回駆動制御装置を含む建設機械の構成を表すブロック図である。実施の形態１の建設機械の速度指令変換部３１において操作レバー２６Ａの操作量を速度指令（上部旋回体３を旋回させるために旋回用電動機２１を回転させるための速度指令）に変換する変換特性を示す図である。実施の形態１の旋回駆動制御装置の構成を表す制御ブロック図である。実施の形態１の旋回駆動制御装置４０の主制御部６０による旋回用電動発電機２１の旋回開始時の駆動制御の処理手順を示す図である。実施の形態１の旋回駆動制御装置４０による旋回用電動発電機２１の旋回開始時の速度指令、回転速度、及び駆動トルクの特性を示す図であり、（ａ）は逆相の場合に旋回を開始した場合の特性、（ｂ）は比較のために同相の場合に旋回を開始した場合の特性を示す。実施の形態２の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。実施の形態３の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。実施の形態３の変形例の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。

符号の説明

　１　下部走行体
　１Ａ、１Ｂ　走行機構
　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　バッテリ
　２０　インバータ
　２１　旋回用電動機
　２１ａ　回転軸
　２１Ａ、２１Ｂ　リレー
　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
　２６Ａ、２６Ｂ　レバー
　２６Ｃ　ペダル
　２７　油圧ライン
　２８　油圧ライン
　２９　圧力センサ
　３０　コントローラ
　３１　速度指令変換部
　３２　駆動制御装置
　４０　旋回駆動制御装置
　５０　駆動指令生成部
　５１　減算器
　５２　ＰＩ制御部
　５３　トルク制限部
　５４　トルク制限部
　５５　減算器
　５６　ＰＩ制御部
　５７　電流変換部
　５８　旋回動作検出部
　６０　主制御部
　７０　加速度計

　以下、本発明の旋回駆動制御装置及びこれを含む建設機械を適用した実施の形態について説明する。

　［実施の形態１］
　図１は、実施の形態１の旋回駆動制御装置を含む建設機械を示す側面図である。

　この建設機械の下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。また、上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びバケット６と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に加えて、キャビン１０及び動力源が搭載される。

　「全体構成」
　図２は、実施の形態１の旋回駆動制御装置を含む建設機械の構成を表すブロック図である。この図２では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。

　機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、ともに増力機としての減速機１３の入力軸に接続されている。また、この減速機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が接続されている。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が接続されている。

　コントロールバルブ１７は、実施の形態１の建設機械における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ１７には、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び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が高圧油圧ラインを介して接続される。

　また、電動発電機１２には、インバータ１８を介してバッテリ１９が接続されており、また、バッテリ１９には、インバータ２０を介して旋回用電動発電機２１が接続されている。

　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。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。

　操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、実施の形態１の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

　このような実施の形態１の建設機械は、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド型の建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。

　「各部の構成」
　エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。このエンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。

　電動発電機１２は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ１８によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。

　減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸の各々には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が力行運転を行い、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。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、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が回生運転による発電を行う。電動発電機１２の力行運転と回生運転の切り替えは、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。

　メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生するポンプである。この油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ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の各々を駆動するために供給される。

　パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。

　コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ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の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

　インバータ１８は、電動発電機１２の力行運転に必要な電力をバッテリ１９から電動発電機１２に供給するとともに、電動発電機１２の回生運転によって発電された電力をバッテリ１９に充電するために電動発電機１２とバッテリ１９との間に設けられたインバータである。

　バッテリ１９は、インバータ１８とインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２と旋回用電動機２１の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が回生運転を行っている際には、回生運転によって発生した回生電力を電気エネルギーとして蓄積するための電源である。

　インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、インバータが旋回用電動機２１の力業を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から旋回用電動機２１に供給する。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力をバッテリ１９へ充電する。

　旋回用電動発電機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。旋回用電動発電機２１は、力行運転により上部旋回体３を加速させ、上部旋回体３の減速時に回生運転を行うように駆動制御される。ここでは、旋回用電動発電機２１として、インバータ２０によって交流駆動される電動発電機を示す。この旋回用電動発電機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。

　なお、バッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（力行運転又は回生運転）、旋回用電動発電機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、コントローラ３０によって行われる。

　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旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転角度を検出することにより、旋回機構２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、旋回用電動機２１の回転軸２１ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動（オン）／解除（オフ）が切り替えられる。

　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２に機械的に伝達する減速機である。

　旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、この状態において、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

　操作装置２６は、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。

　この操作装置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）を運転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。

　レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、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内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

　また、メカニカルブレーキ２３は、レバー２６Ａ、２６Ｂ、又はペダル２６Ｃのいずれかが操作されると、コントローラ３０によって解除されるように構成される。

　なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び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の駆動に必要な油圧をコントロールバルブに供給する。

　圧力センサ２９では、レバー２６Ａの操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化が圧力センサ２９で検出される。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に入力される。

　「コントローラ３０」
　コントローラ３０は、実施の形態１の建設機械の駆動制御を行う制御装置であり、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、及び旋回駆動制御装置４０を含む。このコントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、及び旋回駆動制御装置４０は、コントローラ３０のＣＰＵが内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することによって実現される装置である。

　速度指令変換部３１は、圧力センサ２９から入力される信号を速度指令に変換する演算処理部である。これにより、レバー２６Ａの操作量は、旋回用電動機２１を回転駆動させるための速度指令(rad/s)に変換される。この速度指令は、駆動制御装置３２及び旋回駆動制御装置４０に入力される。

　駆動制御装置３２は、電動発電機１２の運転制御（力行運転又は回生運転の切り替え）、及び、バッテリ１９の充放電制御を行うための制御装置である。この駆動制御装置３２は、エンジン１１の負荷の状態とバッテリ１９の充電状態に応じて、電動発電機１２の力行運転と回生運転を切り替える。駆動制御装置３２は、電動発電機１２の力行運転と回生運転を切り替えることにより、インバータ１８を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

　「操作量／速度指令の変換特性」
　図３は、実施の形態１の建設機械の速度指令変換部３１において操作レバー２６Ａの操作量を速度指令（上部旋回体３を旋回させるために旋回用電動機２１を回転させるための速度指令）に変換する変換特性を示す図である。

　ここで、図３に示す変換特性は、旋回用電動機２１の停止状態から回転を開始する際（上部旋回体３の停止状態から旋回を開始する際）の特性であり、操作レバー２６Ａの操作量に応じて、不感帯領域、零速度指令領域（左旋回用及び右旋回用）、左方向旋回駆動領域、及び右方向旋回駆動領域の５つの領域に区分される。

　ここで、実施の形態１の建設機械の制御系では、旋回用電動機２１の回転軸２１ａが反時計回りに回転する回転方向を「正転」と称し、正転方向の駆動を表す制御量に正の符号を付す。一方、旋回用電動機２１の回転軸２１ａが時計回りに回転する回転方向を「逆転」と称し、逆転方向の駆動を表す制御量に負の符号を付す。正転は、上部旋回体３の右方向への旋回に対応し、逆転は、上部旋回体の左方向への旋回に対応する。

　「不感帯領域」
　この変換特性に示すように、不感帯領域は、レバー２６Ａの中立点付近（±１０％の範囲内）に設けられている。この不感帯領域では、速度指令変換部３１から速度指令は出力されず、旋回駆動制御装置４０による旋回用電動機２１の駆動制御は行われない。また、不感帯領域では、メカニカルブレーキ２３によって旋回用電動機２１が機械的に停止された状態となる。

　従って、レバー２６Ａの操作量が不感帯領域内にある間は、メカニカルブレーキ２３によって旋回用電動機２１が機械的に停止され、これにより、上部旋回体３が機械的に停止された状態となる。

　「零速度指令領域」
　零速度指令領域は、レバー２６Ａの操作方向における不感帯領域の両外側（操作量が＋１０％～２０％、－２０％～－１０％の範囲内）に設けられている。この零速度指令領域は、不感帯領域における上部旋回体３の停止状態と、左右方向の旋回駆動領域における旋回状態とを切り替える際に操作性を良くするために設けられる緩衝領域である。

　操作レバー２６Ａの操作量がこの零速度指令領域の範囲内にあるときは、速度指令変換部３１から零速度指令が出力され、メカニカルブレーキ２３は解除された状態となる。

　ここで、零速度指令とは、上部旋回体３の旋回速度を零にするために、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を零にするための速度指令であり、後述するＰＩ(Proportional Integral)制御では、回転軸２１Ａの回転速度を零に近づけるための目標値として用いられる。

　なお、メカニカルブレーキ２３の制動（オン）／解除（オフ）の切り替えは、不感帯領域と零速度指令領域の境界においてコントローラ３０内の旋回駆動制御装置４０によって行われる。

　従って、レバー２６Ａの操作量が零速度指令領域内にある間は、メカニカルブレーキ２３は解除され、零速度指令により、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａは停止状態に保持される。これにより、上部旋回体３は旋回駆動されずに停止状態に保持される。

　「左方向旋回駆動領域」
　左方向旋回駆動領域は、上部旋回体３を左方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部３１から出力される領域である。

　この領域内では、レバー２６Ａの操作量に応じて、速度指令の絶対値が増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置４０で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機２１が駆動され、この結果、上部旋回体３が左方向に旋回駆動される。

　なお、上部旋回体３の旋回速度をある一定以下に制限するために、左方向旋回駆動領域における速度指令値は、絶対値が所定の値で制限される。

　「右方向旋回駆動領域」
　右方向旋回駆動領域は、上部旋回体３を右方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部３１から出力される領域である。

　この領域内では、レバー２６Ａの操作量に応じて、速度指令の絶対値が増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置４０で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機２１が駆動され、この結果、上部旋回体３が右方向に旋回駆動される。

　なお、左方向旋回駆動領域と同様に、右方向旋回駆動領域における速度指令値は、絶対値が所定の値で制限される。

　また、図３に示す特性は、上部旋回体３が停止している状態から旋回を開始するときの特性を表しており、旋回状態から停止する場合は、レバー２６Ａの操作量が±１０％の範囲内に入っても、旋回用電動機２１の回転速度が零になるまでは、零速度指令による駆動制御が行われるように構成されている。

　「旋回駆動制御装置４０」
　図４は、実施の形態１の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。

　旋回駆動制御装置４０は、インバータ２０を介して旋回用電動機２１の駆動制御を行うための制御装置であり、旋回用電動機２１を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成部５０、及び主制御部６０を含む。

　旋回駆動制御装置４０は、コントローラ３０の内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することにより、レバー２６Ａの操作量に応じて旋回用電動発電機２１を駆動制御するための駆動指令を演算する。

　また、旋回駆動制御装置４０は、レバー２６Ａの操作量に応じて、旋回用電動発電機２１を駆動制御する際に、力行運転と回生運転の切り替え制御を行うと共に、インバータ２０を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

　駆動指令生成部５０には、レバー２６Ａの操作量に応じて速度指令変換部３１から出力される速度指令が入力され、この駆動指令生成部５０は速度指令に基づき駆動指令を生成する。駆動指令生成部５０から出力される駆動指令はインバータ２０に入力され、このインバータ２０によって旋回用電動機２１がＰＷＭ制御信号により交流駆動される。

　主制御部６０は、旋回駆動制御装置４０の制御処理に必要な処理を行う制御部である。具体的な処理内容については、関連箇所においてその都度説明する。

　なお、旋回駆動制御装置４０は、操作レバー２６Ａの操作量に応じて、旋回用電動機２１を駆動制御する際に、力行運転と回生運転の切り替え制御を行うとともに、インバータ２０を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

　「駆動指令生成部５０」
　駆動指令生成部５０は、減算器５１、ＰＩ(Proportional Integral)制御部５２、トルク制限部５３、トルク制限部５４、減算器５５、ＰＩ制御部５６、電流変換部５７、及び旋回動作検出部５８を含む。この駆動指令生成部５０の減算器５１には、レバー２６Ａの操作量に応じた旋回駆動用の速度指令(rad/s)が入力される。

　減算器５１は、レバー２６Ａの操作量に応じた速度指令の値（以下、速度指令値）から、旋回動作検出部５８によって検出される旋回用電動機２１の回転速度(rad/s)を減算して偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５２において、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

　ＰＩ制御部５２は、減算器５１から入力される偏差に基づき、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるように（すなわち、この偏差を小さくするように）ＰＩ制御を行い、そのために必要なトルク電流指令を演算する。生成されたトルク電流指令は、トルク制限部５３に入力される。

　トルク制限部５３は、レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令の値（以下、トルク電流指令値）を制限する処理を行う。この制限処理は、レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令値の許容値が緩やかに増大する制限特性に基づいて行われる。このようなトルク電流指令値の制限は、ＰＩ制御部５２によって演算されるトルク電流指令値が急激に増大すると制御性が悪化するため、これを抑制するために行われる。

　なお、トルク制限部５３の制限特性は、主制御部６０の内部メモリに格納されており、主制御部６０が内部メモリ内の制限特性を読み出してトルク制限部５３に入力する。

　この制限特性は、レバー２６Ａの操作量の増大に伴ってトルク電流指令値の許容値（の絶対値）を緩やかに増大させる特性を有し、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向を制限するための特性を有するものである。制限特性を表すデータは、主制御部６０の内部メモリに格納されており、トルク制限部５３によって読み出される。

　トルク制限部５４は、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令によって生じるトルクが旋回用電動機２１の最大許容トルク値以下となるように、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令値を制限する。このトルク電流指令値の制限は、トルク制限部５３と同様に、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向の回転に対して行われる。

　ここで、トルク制限部５４においてトルク電流指令値を制限するための許容値の上限値（右旋回用の最大値）及び下限値（左旋回用の最小値）は、このトルク制限部５４によってトルク電流指令値の制限が行われても、傾斜地で、ブーム４、アーム５、及びバケット６が伸張されて上部旋回体３の慣性モーメントが大きい状態においても、ブーム４、アーム５、及びバケット６を斜面の上方に旋回させるための駆動トルクを発生できるような値に設定されている。

　なお、トルク制限部５４の許容値は、主制御部６０の内部メモリに格納されており、主制御部６０が内部メモリ内の許容値を読み出してトルク制限部５４に入力する。また、この許容値の絶対値は、主制御部６０から入力される変更指令により変更可能であり、通常時は絶対値で１００％に設定されるが、旋回開始時には０％に設定される。

　減算器５５は、トルク制限部５４から入力されるトルク電流指令値から、電流変換部５７の出力値を減算して得る偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５６及び電流変換部５７を含むフィードバックループにおいて、電流変換部５７から出力される旋回用電動機２１の駆動トルクを、トルク制限部５４を介して入力されるトルク電流指令値（目標値）によって表されるトルクに近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

　ＰＩ制御部５６は、減算器５５から入力される偏差に基づき、この偏差を小さくするようにＰＩ制御を行い、インバータ２０に送る最終的な駆動指令となる電圧指令を生成する。インバータ２０は、ＰＩ制御部５６から入力されるトルク電流指令に基づき、旋回用電動機２１をＰＷＭ駆動する。

　電流変換部５７は、旋回用電動機２１のモータ電流を検出し、これをトルク電流指令に相当する値に変換し、減算器５５に入力する。

　旋回動作検出部５８は、レゾルバ２２によって検出される旋回用電動機２１の回転位置の変化（すなわち上部旋回体３の旋回）を検出するとともに、回転位置の時間的な変化から旋回用電動機２１の回転速度を微分演算によって導出する。導出された回転速度を表すデータは、減算器５１及び主制御部６０に入力される。

　このような構成の駆動指令生成部５０において、速度指令変換部３１から入力される速度指令に基づき、旋回用電動機２１を駆動するためのトルク電流指令が生成され、上部旋回体３が所望の速度で旋回される。

　図５は、実施の形態１の旋回駆動制御装置４０の主制御部６０による旋回用電動発電機２１の旋回開始時の駆動制御の処理手順を示す図である。

　主制御部６０は、旋回駆動制御装置４０の起動により処理を開始する。

　まず、主制御部６０は、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度が零であるか否かを監視し、上部旋回体３が旋回停止の状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１０）。回転速度は、旋回動作検出部５８から入力される。なお、このステップＳ１０の処理は、旋回停止が確認されるまで繰り返し実行される。

　主制御部６０は、旋回停止の状態であると判定した場合は、速度指令変換部３１から出力される速度指令が零速度指令であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。旋回が開始される直前は、レバー２６Ａの操作量が図３に示す零速度指令領域にあり、メカニカルブレーキ２３が解除された状態で、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度が零になるように駆動制御が行われるからである。なお、このステップＳ１１の処理は、零速度指令の出力が確認されるまで繰り返し実行される。

　次いで、主制御部６０は、旋回用電動機２１の回転軸２１ａにかかるトルクの方向（以下、トルク方向）を判定する（ステップＳ１２）。ここでは、旋回動作検出部５８から入力される回転速度の時間変化量として加速度を演算し、この加速度の方向をトルク方向として監視する。なお、旋回用電動機２１の回転軸２１ａと旋回機構２とは旋回減速機２４を介して機械的に接続されているため、旋回用電動機２１の回転軸２１ａにおけるトルク方向は、旋回機構２の旋回軸のトルク方向と同義である。

　ステップＳ１０で旋回停止（回転速度が零）と判定した後に回転軸２１ａの回転速度の時間変化量（加速度）が検出される場合は、回転軸２１ａにトルクがかかっており、特に、旋回状態から停止した直後は、ブーム４、アーム５、及びバケット６が旋回方向に振動している場合がある。ステップＳ１２の処理では、この振動の方向を回転軸２１ａの回転速度の時間変化量（加速度）に基づいてトルク方向として検知する。

　次いで、主制御部６０は、レバー２６Ａに旋回するための操作が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１３）。これは、レバー２６Ａの操作量が右方向旋回駆動領域、又は左方向旋回駆動領域のいずれかの領域内に入ったか否かを判定するための処理であり、速度指令変換部３１から入力される速度指令の値が零から正又は負のいずれかの値に変化したかを監視することによって行う処理である。

　また、主制御部６０は、このステップＳ１３の処理により、レバー２６Ａに入力される旋回方向が右旋回又は左旋回のいずれであるかを検知する。

　なお、このステップＳ１３の処理は、旋回のための操作の入力が確認されるまで繰り返し実行される。

　主制御部６０は、ステップＳ１２で検知したトルク方向と、ステップＳ１３で検知した旋回方向とが逆方向であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ここで、トルク方向は、ブーム４、アーム５、及びバケット６の旋回方向への振動によって生じるトルクの方向であるため、振動の周期に従ってトルク方向も右旋回方向又は左旋回方向に繰り返し変化する。

　このため、ここでいう逆方向とは、振動の周期においてトルク方向が右旋回方向である間に、レバー２６Ａに左旋回の入力が行われること、あるいは、振動の周期においてトルク方向が左旋回方向である間に、レバー２６Ａに右旋回の入力が行われることをいう。

　主制御部６０は、ステップＳ１２で検知したトルク方向と、ステップＳ１３で検知した旋回方向とが逆方向であると判定した場合は、トルク制限部５４の許容値を通常値（１００％）に保持する。これにより、旋回駆動制御装置４０からインバータ２０にトルク電流指令が入力され、旋回用電動機２１が駆動される。

　一方、主制御部６０は、ステップＳ１２で検知したトルク方向と、ステップＳ１３で検知した旋回方向とが同一方向であると判定した場合は、トルク制限部５４の許容値を零に設定する（ステップＳ１６）。これにより、旋回駆動制御装置４０から出力されるトルク電流指令を零にされ、レバー２６Ａの操作量が右方向旋回駆動領域、又は左方向旋回駆動領域のいずれかの領域内に入っていても、旋回用電動機２１は駆動されずに停止状態に保持される。

　ステップＳ１２で検知したトルク方向と、ステップＳ１３で検知した旋回方向とが同一方向である場合に旋回用電動機２１の駆動を開始すると、ブーム４、アーム５、及びバケット６が旋回方向に対して遅れる方向に揺り返され、これによって振動が増幅される（あるいは新たな振動が発生する）ため、スムーズに旋回を開始できず、乗り心地が悪化する場合があるからである。

　主制御部６０は、ステップＳ１６の処理が終わると手順をステップＳ１２に進行させる。ステップＳ１２の処理でトルク方向を再度検知してからステップＳ１３及びＳ１４の処理が実行されることにより、ステップＳ１２で検知したトルク方向と、ステップＳ１３で検知した旋回方向とが逆方向になるまで、トルク制限部５４の許容値は零に保持される。

　以上の処理は繰り返し行われるため、旋回用電動機２１の回転軸２１ａにおけるトルク方向と、レバー２６Ａに入力される旋回方向とが逆方向の状態においてのみ旋回用電動機２１の駆動が開始される。このため、ブーム４、アーム５、及びバケット６が旋回方向に対して遅れる方向に揺り返されることが抑制され、スムーズに旋回を開始し、乗り心地が良好となる。

　なお、旋回用電動機２１の回転軸２１ａにおけるトルク方向と、レバー２６Ａに入力される旋回方向とが逆方向の場合は、同一方向になるまで旋回用電動機２１の駆動開始が遅れ、待機することになるが、ブーム４、アーム５、及びバケット６の振動の周期は、例えば、約０．５秒から１．５秒のように非常に早いため、待機時間は非常に短い時間で済む。

　図６は、実施の形態１の旋回駆動制御装置４０による旋回用電動発電機２１の旋回開始時の速度指令、回転速度、及び駆動トルクの特性を示す図であり、（ａ）は逆相の場合に旋回を開始した場合の特性、（ｂ）は比較のために同相の場合に旋回を開始した場合の特性を示す。

　図６（ａ）では、経過時間０秒の状態において、旋回用電動機２１の回転速度が－６０％速度であり、上部旋回体３は左方向に旋回している。また、速度指令は零（零速度指令）であるため、駆動トルクは右旋回方向の最大値（２００％）となっている。

　経過時間が１秒のあたりで回転速度が０％に達して旋回が停止されると、回転速度に微小な振れが生じている。この回転速度の振れは、ブーム４等が旋回方向における左右に振動することによるものと考えられる。

　経過時間が２秒に達する直前に、回転速度が負の値になった状態（ブーム４等が左旋回方向に振れた状態）で右旋回用の速度指令が立ち上がると、これに伴い正転側の駆動トルクが立ち上がり、その結果、回転速度は徐々に上昇していることが判る。

　一方、図６（ｂ）では、経過時間０秒の状態において、旋回用電動機２１の回転速度が－６０％速度であり、上部旋回体３は左方向に旋回している。また、速度指令は零（零速度指令）であるため、駆動トルクは右旋回方向の最大値（２００％）となっている。

　経過時間が１秒のあたりで回転速度が０％に達して旋回が停止されると同時に右旋回用の速度指令が立ち上がると、これに伴い正転側の駆動トルクが立ち上がり、その結果、回転速度は振動しながら上昇していることが判る。

　これは、回転速度が正の値に振れた状態（ブーム４等が左旋回からの停止直後に右旋回方向に振れた状態）で右旋回用の速度指令が立ち上げられたため、ブーム４等に振動が生じたものと考えられる。

　以上により、実施の形態１の旋回駆動制御装置４０によれば、旋回用電動機２１の回転軸２１ａにおけるトルク方向と、レバー２６Ａに入力される旋回方向とが逆方向の状態においてのみ旋回用電動機２１の駆動が開始されるため、ブーム４、アーム５、及びバケット６が旋回方向に対して遅れる方向に揺り返されることが抑制され、スムーズに旋回を開始し、乗り心地が良好となる。

　また、回機構２のバックラッシュの歯打ちによる衝撃の発生を抑制できる旋回駆動制御装置及び建設機械を提供することができる。また、旋回機構２のバックラッシュの歯打ちを抑制できることにより、旋回機構２の長寿命化を図ることができる。

　以上では、ステップＳ１２で検知したトルク方向と、ステップＳ１３で検知した旋回方向とが同一方向であると判定した場合は、トルク制限部５４の許容値を零に設定する形態について説明したが、この場合の許容値は零に限られるものではなく、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転が生じない程度のトルク電流指令を許容できる程度の値（例えば通常値の１０％程度の値）に設定するようにしてもよい。

　以上では、旋回用電動機２１がインバータ２０によってＰＷＭ駆動される交流モータであり、その回転速度を検出するために、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５８を用いる形態について説明したが、旋回用電動機２１は直流モータであってもよい。この場合は、インバータ２０、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５８が不要となり、回転速度としては直流モータのタコジェネレータで検出される値を用いればよい。

　また、以上では、トルク電流指令の演算にＰＩ制御を用いる形態について説明したが、これに代えて、ロバスト制御、適応制御、比例制御、積分制御等を用いてもよい。

　また、以上では、ハイブリッド型の建設機械を用いて説明したが、旋回機構が電動化されている建設機械であれば、実施の形態１の旋回駆動装置の適用対象は、バイブリッド型に限定されるものではない。

　［実施の形態２］
　図７は、実施の形態２の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。実施の形態１では、旋回動作検出部５８から入力される回転速度の時間変化量である加速度を演算し、この加速度の方向を旋回機構２の旋回軸のトルク方向（旋回用電動機２１の回転軸２１ａにおけるトルク方向）として検知し、このトルク方向を用いて旋回駆動制御を行う形態について説明したが、実施の形態２の旋回駆動制御装置４０は、ＰＩ制御部５６から出力されるトルク電流指令値に基づいてトルク方向を判定して旋回駆動制御を行う点が実施の形態１と異なる。その他の構成要素は実施の形態１と同一であるため、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

　すなわち、実施の形態２の旋回駆動制御装置４０の主制御部６０は、ＰＩ制御部５６から出力されるトルク電流指令値に基づいてトルク方向（旋回用電動機２１の回転軸２１ａにおけるトルク方向）を検知し、図５に示すものと同一の処理手順を実行する。

　ＰＩ制御部５６から出力されるトルク電流指令値は、速度指令値と回転速度(rad/s)の偏差に基づいて演算されるため、旋回用電動機２１の回転軸２１ａにかかるトルクの方向を表す。

　このため、回転速度の時間変化量として演算される加速度の方向の代わりに、ＰＩ制御部５６から出力されるトルク電流指令値が示すトルク方向を用いて旋回駆動制御を行っても、実施の形態１と同様に旋回駆動制御を行うことができる。

　以上より、実施の形態２の旋回駆動制御装置４０によれば、ＰＩ制御部５６から出力されるトルク電流指令値が表すトルク方向と、レバー２６Ａに入力される旋回方向とが逆方向の状態においてのみ旋回用電動機２１の駆動が開始されるため、ブーム４、アーム５、及びバケット６が旋回方向に対して遅れる方向に揺り返されることが抑制され、スムーズに旋回を開始し、乗り心地が良好となる。

　図８は、実施の形態２の変形例の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。

　図７には、ＰＩ制御部５６から出力されるトルク電流指令値が表すトルク方向を用いて旋回駆動制御を行う制御ブロックを示したが、ＰＩ制御部５６から出力されるトルク電流指令値の代わりに、ＰＩ制御部５２から出力されるトルク電流指令値を用いてもよい。

　ＰＩ制御部５２から出力されるトルク電流指令値も速度指令値と回転速度(rad/s)の偏差に基づいて演算されるため、ＰＩ制御部５６から出力されるトルク電流指令値と同様に、旋回用電動機２１の回転軸２１ａにかかるトルクの方向を表す。

　このため、ＰＩ制御部５６から出力されるトルク電流指令値の代わりに、ＰＩ制御部５２から出力されるトルク電流指令値を用いて、このトルク電流指令値が示すトルク方向を用いて旋回駆動制御を行ってもよい。

　以上より、実施の形態２の変形例の旋回駆動制御装置４０によれば、ＰＩ制御部５２から出力されるトルク電流指令値が表すトルク方向と、レバー２６Ａに入力される旋回方向とが逆方向の状態においてのみ旋回用電動機２１の駆動が開始されるため、ブーム４、アーム５、及びバケット６が旋回方向に対して遅れる方向に揺り返されることが抑制され、スムーズに旋回を開始し、乗り心地が良好となる。

　［実施の形態３］
　図９は、実施の形態３の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。実施の形態３の旋回駆動制御装置４０は、旋回方向を検出する手段として加速度計７０を備え、主制御部６０が加速度計７０によって検出される加速度に基づいてトルク方向（旋回用電動機２１の回転軸２１ａにおけるトルク方向）を検出する点が実施の形態１と異なる。その他の構成要素は実施の形態１と同一であるため、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

　実施の形態３の旋回駆動制御装置４０の主制御部６０は、加速度計７０から入力される加速度に基づいて旋回機構２の旋回軸のトルク方向（旋回用電動機２１の回転軸２１ａにおけるトルク方向）を検知し、図５に示すものと同一の処理手順を実行する。

　この加速度計７０としては、例えば、加速度センサを用いることができる。この加速度センサは、上部旋回体３の内部に配設しても良いし、ブーム４、アーム５、又はバケット６に取り付けてもよい。

　以上より、実施の形態３の旋回駆動制御装置４０によれば、加速度計７０によって検出される旋回用電動機２１の回転軸２１ａにおけるトルク方向と、レバー２６Ａに入力される旋回方向とが逆方向の状態においてのみ旋回用電動機２１の駆動が開始されるため、ブーム４、アーム５、及びバケット６が旋回方向に対して遅れる方向に揺り返されることが抑制され、スムーズに旋回を開始し、乗り心地が良好となる。

　以上、本発明の例示的な実施の形態の旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

Claims

　電動機で旋回駆動される建設機械の旋回機構を駆動制御する旋回駆動制御装置であって、
　建設機械の操作部を介して入力される操作量に基づき、前記電動機の回転速度を制御するための速度指令を出力する速度指令出力部と、
　前記旋回機構の回転軸にかかるトルクの方向を検出するトルク方向検出部と、
　前記速度指令出力部から出力される速度指令に基づき、前記電動機を駆動するための駆動指令を生成し、前記電動機の駆動制御を行う駆動制御部と
　を含み、
　前記駆動制御部は、前記旋回機構の旋回を開始させる際には、前記速度指令出力部から出力される速度指令によって表される旋回方向と、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向とが逆方向である場合に、前記駆動指令を用いて前記電動機の駆動を開始する、旋回駆動制御装置。
　前記駆動制御部は、前記操作部が操作された場合に、前記速度指令出力部から出力される速度指令によって表される旋回方向と、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向とが同一方向である場合は、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向が前記旋回方向と逆方向になってから、前記電動機の駆動を開始する、請求項１に記載の旋回駆動制御装置。
　前記駆動制御部は、前記速度指令出力部から出力される速度指令によって表される旋回方向と、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向とが同一方向である場合は、前記トルク方向検出部によって検出されるトルク方向が前記旋回方向と逆方向になるまで、前記駆動指令の値を絶対値で所定値以下にする、請求項２に記載の旋回駆動制御装置。
　前記駆動制御部は、前記駆動指令によって前記電動機で発生する駆動トルクが許容値以下になるように前記駆動指令の値を絶対値で制限する制限部を含み、前記許容値を絶対値で通常値よりも低下させることにより、前記駆動指令の値を絶対値で所定値以下にする、請求項３に記載の旋回駆動制御装置。
　前記トルク方向検出部は、前記回転速度検出部で検出される前記電動機の回転速度の時間変化量を演算し、当該回転速度の時間変化量で表される加速度の方向を前記トルク方向として検出する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置。
　前記トルク方向検出部は、前記駆動指令生成部で生成される駆動指令によって表される加速度の方向を前記トルク方向として検出する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置。
　前記旋回機構の旋回によって生じる加速度を検出する加速度計を含み、
　前記トルク方向検出部は、前記加速度計によって検出される加速度の方向に基づいて前記トルク方向として検出する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置。
　請求項１乃至６のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置を含む建設機械。