WO2013021978A1

WO2013021978A1 - 旋回駆動装置

Info

Publication number: WO2013021978A1
Application number: PCT/JP2012/070020
Authority: WO
Inventors: 竹尾　実高
Original assignee: 住友建機株式会社
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2013-02-14
Also published as: KR101565057B1; EP2743409A4; US9145655B2; EP2743409A1; EP2743409B1; JP5925782B2; US20140145657A1; JPWO2013021978A1; CN103620125B; KR20140025548A; CN103620125A

Abstract

　旋回駆動装置は、蓄電装置（１２０）からの電力で駆動されて旋回体（３）を駆動する旋回用電動機（２１）と、旋回用電動機の駆動を制御するインバータ（２０）と、制御信号ラインを介してインバータに接続されたコントローラ（３０）と、旋回用電動機（２１）の制御に異常が発生したときにインバータ（２０）に指令を与える非常時操作部とを含む。インバータ（２０）は、非常時操作部からの信号に基づいて、制御信号ラインを遮断し、且つ旋回用電動機（２１）の駆動を制御する。

Description

旋回駆動装置

　本発明は建設機械等に設けられた旋回体を駆動する旋回駆動装置に関する。

　ショベル等の建設機械には、バケット等の作業要素が取り付けられた旋回体を駆動する駆動装置が設けられることが多い。例えば、ショベルにおいて作業要素であるバケットは操縦室が設けられた上部旋回体に取り付けられ、上部旋回体が旋回することでバケットも一緒に旋回する。これにより、ショベルの周囲で作業を行なう位置にバケットを旋回移動させることができる。したがって、ショベルには上部旋回体を旋回駆動する旋回機構が設けられる。

　上述の旋回機構において、旋回用電動機を駆動源として用いることがある。旋回用電動機にはインバータの制御の下で電力が供給される。インバータは、ショベルの駆動機構全体を制御するコントローラにより制御される。ここで、コントローラ自体やインバータとコントローラとの間の制御通信ラインに異常が発生した場合、コントローラによりインバータを制御することができなくなり、その結果、旋回機構を正常に駆動することができなくなるおそれがある。

　そこで、下位制御部（例えば、上述のインバータ）が上位制御部（例えば、上述のコントローラ）の異常を監視し、上位制御部での異常を検出したら、下位制御部が当該異常に対処して装置を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開パンフレット　ＷＯ２０１０／０６４６２５

　旋回用電動機を含む旋回機構を用いたショベルにおいて、コントローラやコントローラとインバータとの間の制御通信ラインに異常が発生した場合、旋回機構の駆動を停止することで当該異常に対処することができる。

　ところが、旋回機構の駆動を停止した場合、上部旋回体の旋回方向の位置を変えることができなくなるため、例えばバケットの位置も停止した位置に固定されたままとなる。この場合、例えばバケットが邪魔となり他の方法で作業を続行できないおそれがある。あるいは、上部旋回体又はバケットが停止位置に固定されたままであると、ショベルのバランスが悪いまま放置しなければならない状況となるおそれがある。

　本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、コントローラやコントローラとインバータとの間の制御通信ラインに異常が発生した場合でも、上部旋回体を通常の制御によらず一時的に旋回させることのできる旋回駆動装置を提供することを目的とする。

　本発明の一実施態様によれば、エンジンの動力を電力へ変換し、変換した電力により旋回体を回動させる旋回駆動装置であって、電気エネルギを蓄電する蓄電装置と、蓄電装置からの電力で駆動されて旋回体を駆動する旋回用電動機と、該旋回用電動機の駆動を制御するインバータと、制御信号ラインを介して該インバータに接続されたコントローラと、該旋回用電動機の制御に異常が発生したときに該インバータに指令を与える非常時操作部とを有し、該インバータは、該非常時操作部からの信号に基づいて、該制御信号ラインを遮断し、且つ該旋回用電動機の駆動を制御することを特徴とする旋回駆動装置が提供される。
　本発明の他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の発明の詳細な説明を読むことにより、一層明瞭となるであろう。

　上述の発明によれば、コントローラや制御通信ラインの異常により旋回用電動機を正常に駆動できなくなった場合でも、非常時操作部からの信号によりインバータを制御し、旋回用電動機を駆動することができる。したがって、異常発生により通常の制御を行なうことができない状況であっても、旋回用電動機で駆動される旋回体を所望の位置に旋回させることができる。

ハイブリッド型ショベルの側面図である。一実施形態によるハイブリッド型ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。蓄電系の回路図である。非常時操作部の一例を示す平面図である。非常時操作部の他の例を示す平面図である。上部旋回体を旋回させるときの一例における各制御要素の変化を示すタイムチャートである。上部旋回体を旋回させるときの他の例における各制御要素の変化を示すタイムチャートである。上部旋回体を旋回させるときのさらに他の例における各制御要素の変化を示すタイムチャートである。

　次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

　図１は本発明が適用されるショベルの一例であるハイブリッド型ショベルの側面図である。

　図１に示すハイブリッド型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が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。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。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に示すハイブリッド型ショベルの駆動系の構成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、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。

　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、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ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。油圧ポンプ１４は可変容量式油圧ポンプであり、斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量を制御することができる。

　エンジン１１には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出器１１ａが備えられている。エンジン回転数検出器１１ａにより検出されたエンジン回転数は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ：Engine Control Unit）１１ｂに入力される。エンジンコントロールユニット１１ｂは、検出されたエンジン回転数に基づいて、エンジン１１のフィードバック制御を行なう。また、エンジンコントロールユニット１１ｂは、検出されたエンジン回転数を後述するコントローラ３０に送信する。

　コントロールバルブ１７は、ハイブリッド型ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。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は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

　電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器を含む蓄電系１２０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は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃ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にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

　図２に示すハイブリッド型ショベルは旋回機構を電動にしたもので、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられている。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続されている。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、及び旋回変速機２４が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。

　コントローラ３０は、ハイブリッド型ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。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、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

　コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

　コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００（図３参照）を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。また、コントローラ３０は、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値に基づいて、蓄電器（キャパシタ）の充電率ＳＯＣを算出する。

　また、コントローラ３０は、制御信号ライン３２によりインバータ２０に接続されており、制御信号ライン３２を介して制御信号を送信してインバータ２０を制御する。以下に説明する実施形態では、インバータ２０は、旋回用電動機２１に供給する駆動電流を制御するとともに、メカニカルブレーキ２３の動作も制御することができる。また、傾斜センサ５０により検出した傾斜角度を示す検出値がインバータ２０に供給される。傾斜センサ５０はショベルの傾斜角度を検出するために設けられたセンサである。傾斜角度が大きいと、上部旋回体３を旋回する方向が上を向いているときは、水平なときよりも大きな旋回力が必要となり、旋回する方向が下を向いているときは、水平なときよりも小さな旋回力でよい。

　さらに、レゾルバ２２は旋回用電動機２１の回転数（回転速度）を検出し、検出値をコントローラ３０に送るとともに、インバータ２０にも送信する。したがって、インバータ２０は、レゾルバ２２からの検出値に基づいて上部旋回体３の旋回速度を求めることができる。

　図３は、蓄電系１２０の回路図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータとＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、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。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。

　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バス電圧値を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１１０は、インバータ１８Ａ及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、発電機３００、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。

　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バス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。

　以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

　昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１０５を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８Ａ，２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。

　リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４に接続される。リアクトル１０１は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。

　昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子（スイッチング素子）である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０により、ゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

　キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。

　電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ１９及びインバータ１８Ａ，２０が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、キャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。

　キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９の電圧値Ｖｃａｐを検出する。ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧値Ｖｄｃを検出する。平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化するための蓄電素子である。この平滑用のコンデンサ１０７によって、ＤＣバス１１０の電圧は予め定められた電圧に維持されている。

　キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子（Ｐ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子に流れる電流値Ｉ１を検出する。一方、キャパシタ電流検出部１１７は、キャパシタの負極端子（Ｎ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１７は、キャパシタ１９の負極端子に流れる電流値Ｉ２を検出する。

　昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がＤＣバス１１０に供給される。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

　ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、インバータ１０５を介して供給される回生電力がＤＣバス１１０からキャパシタ１９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がキャパシタ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

　本実施形態では、キャパシタ１９の正極端子を昇降圧コンバータ１００の電源接続端子１０４に接続する電源ライン１１４に、当該電源ライン１１４を遮断することのできる遮断器としてリレー１３０－１，１３０－２が設けられる。リレー１３０－１は、電源ライン１１４へのキャパシタ電圧検出部１１２の接続点１１５とキャパシタ１９の正極端子の間に配置されている。リレー１３０－１はコントローラ３０からの信号により作動し、キャパシタ１９からの電源ライン１１４を遮断することで、キャパシタ１９を昇降圧コンバータ１００から切り離すことができる。

　また、キャパシタ１９の負極端子を昇降圧コンバータ１００の電源接続端子１０４に接続する電源ライン１１７に、当該電源ライン１１７を遮断することのできる遮断器としてリレー１３０－２が設けられる。リレー１３０－２は、電源ライン１１７へのキャパシタ電圧検出部１１２の接続点１１８とキャパシタ１９の負極端子の間に配置されている。リレー１３０－２はコントローラ３０からの信号により作動し、キャパシタ１９からの電源ライン１１７を遮断することで、キャパシタ１９を昇降圧コンバータ１００から切り離すことができる。なお、リレー１３０－１とリレー１３０－２を一つのリレーとして正極端子側の電源ライン１１４と負極端子側の電源ライン１１７の両方を同時に遮断してキャパシタを切り離すこととしてもよい。

　なお、実際には、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図３では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

　以上のような構成のショベルにおいて、コントローラ３０に異常が発生した場合、コントローラ３０での制御を停止することとなり、ショベル全体の動作が停止することがある。この際、旋回用電動機２１の制御も行なわれないので、旋回用電動機２１は停止したままとなり、上部旋回体３を旋回させることができなくなる。また、コントローラ３０とインバータ２０との間の通信制御ライン３２に異常が発生した場合も同様に、旋回用電動機２１の制御を行なうことができず、上部旋回体３を旋回させることができなくなる。

　そこで、本発明の一実施形態では、上述のような異常が発生した非常時でも、通常の制御とは別の制御に切替えて旋回用電動機２１を駆動することで、上部旋回体３を所望の位置まで旋回させる。これを実現するために、旋回用電動機２１の駆動を制御するインバータ２０をコントローラ３０から切り離したうえで、インバータ２０を制御する必要がある。

　本実施形態では、ショベルの運転者等が操作することができる非常時操作部４０が、例えばキャビン１０内に設けられる。非常時操作部４０は、旋回用電動機２１を駆動するための信号をインバータ２０に供給するために運転者等が操作するいくつかのスイッチを有している。

　図４は非常時操作部４０の一例を示す平面図である。図４に示す非常時操作部４０は、ＯＮ－ＯＦＦスイッチ４２ａと、旋回方向切替えスイッチ４２ｂと、加減速切替えスイッチ４２ｃとを有する。

　ＯＮ－ＯＦＦスイッチ４２ａは通常はＯＦＦとされており、コントローラ３０がインバータ２０を制御できなくなった時のような非常時に運転者等が操作することでＯＮとされる。ＯＮ－ＯＦＦスイッチ４２ａがＯＮとされると、非常時制御信号がインバータ２０に供給される。これによりインバータ２０とコントローラ３０との通信が遮断され、且つ非常時操作部４０からの信号でインバータ２０が制御される状態に設定される。

　旋回方向切替えスイッチ４２ｂは、旋回用電動機２１の旋回方向を指示するためのスイッチである。旋回方向切替えスイッチ４２ｂが「左」に操作されると、上部旋回体３が運転者から見て左方向に旋回するように旋回用電動機２１を駆動するための指令信号がインバータ２０に送信される。この指令信号に基づいて、インバータ２０は、所定の駆動電流を旋回用電動機２１に供給する。一方、旋回方向切替えスイッチ４２ｂが「右」に操作されると、上部旋回体３が運転者から見て右方向に旋回するように旋回用電動機２１を駆動するための指令信号がインバータ２０に送信される。この指令信号に基づいて、インバータ２０は、所定の駆動電流を旋回用電動機２１に供給する。

　加減速切替えスイッチ４２ｃは、旋回用電動機２１を加速するための指令信号、等速とするための指令信号、減速するための指令信号を選択的にインバータ２０に供給するためのスイッチである。加減速切替えスイッチ４２ｃが「加速」の位置に操作されると、旋回用電動機２１を加速するための指令信号がインバータ２０に送信される。この指令信号に基づいて、インバータ２０は旋回用電動機２１に供給している駆動電流を増大して旋回用電動機２１を加速させる。加減速切替えスイッチ４２ｃが「中立」の位置に操作されると、旋回用電動機２１が無負荷で運転（駆動出力がゼロ）するように指令信号がインバータ２０へ送信される。この指令信号に基づいて、インバータ２０は旋回用電動機２１に供給している駆動電流をゼロにする。上部旋回体３は各部の摩擦抵抗により、次第に減速する。加減速切替えスイッチ４２ｃが「減速」の位置に操作されると、旋回用電動機２１を減速するための指令信号がインバータ２０に送信される。この指令信号に基づいて、インバータ２０は旋回用電動機２１を発電機として駆動させ、回生ブレーキにより減速させる。

　以上のように、コントローラ３０に異常が発生して旋回用電動機２１を制御できないような状況であっても、非常時操作部４０のＯＮ－ＯＦＦスイッチ４２ａ、旋回方向切替えスイッチ４２ｂ、及び加減速切替えスイッチ４２ｃを適宜操作することで、旋回用電動機２１を駆動して上部旋回体３を旋回させることができる。

　非常時操作部４０のスイッチは、図４に示すスイッチに限られず、様々な形態のスイッチを用いることができる。図５は非常時操作部４０の他の例を示す平面図である。図５に示す非常時操作部４０は、上述のＯＮ－ＯＦＦスイッチ４２ａの他に、駆動スイッチ４２ｄが設けられている。

　駆動スイッチ４２ｄは、「左」、「中立」、「右」の三つの位置に選択的に操作できるスイッチである。駆動スイッチ４２ｄが「左」の位置に操作されると、上部旋回体３が運転者から見て左方向に旋回するように旋回用電動機２１を駆動するための指令信号がインバータ２０に送信される。駆動スイッチ４２ｄが「中立」の位置に操作されると、上部旋回体３が停止するように旋回用電動機２１を停止させるための指令信号がインバータ２０に送信される。駆動スイッチ４２ｄが「右」の位置に操作されると、上部旋回体３が運転者から見て右方向に旋回するように旋回用電動機２１を駆動するための指令信号がインバータ２０に送信される。駆動スイッチ４２ｄは、「中立」を挟んで左右の方向に押圧操作するように設定されている。すなわち、駆動スイッチ４２ｃの操作は、通常時に旋回操作を行なう操作レバーによる操作と同様の操作であり、運転者が操作しやすいようになっている。

　ここで、コントローラ３０とインバータ２０との間の通信制御ライン３２に異常が発生した場合には、コントローラ３０は正常な制御を行なうことができる。このため、旋回用電動機２１を駆動するための電力は、キャパシタ１９と電動発電機１２の両方から供給することができる。また、コントローラ３０に異常が発生した場合であっても、少なくともＥＣＵ１１ｂには異常が発生していないため、エンジン１１の動力により電動発電機１２を発電運転させることができる。このため、旋回用電動機２１を駆動するための電力は、少なくとも電動発電機１２から供給することができる。

　次に、非常時操作部４０を操作して上部旋回体３を旋回させる一例における制御要素の変化について説明する。図６は非常時操作部４０を操作して上部旋回体３を旋回させるときの各制御要素の変化を示すタイムチャートである。図６に示す例は、図４に示す非常時操作部４０を使用したときの例である。

　図６－（ａ）は、非常時操作部４０の加減速切替えスイッチ４２ｃから出力される制御信号の変化を示すグラフである。加減速切替えスイッチ４２ｃからは、加速信号と中立信号と減速信号が出力され、インバータ２０に入力される。

　図６－（ｂ）はインバータ２０が生成してメカニカルブレーキ２３に出力されるパーキングブレーキ信号の変化を示すブラフである。パーキングブレーキ信号がＯＮとなるとメカニカルブレーキ２３は旋回用電動機２１に機械的にブレーキを掛けて旋回用電動機２１を固定することで、上部旋回体３の旋回位置を固定する。

　図６－（ｃ）は上部旋回体３の旋回速度の変化を示すグラフである。上部旋回体３の旋回速度は、レゾルバ２２で検出する旋回用電動機の回転数（回転速度）に比例するので、旋回速度の代わりにレゾルバ２２で検出した旋回用電動機の回転数をそのまま用いてもよい。

　図６－（ｄ）はインバータ２０で生成される旋回トルク指令値の変化を示すグラフである。旋回トルク指令値に基づいて、旋回用電動機２１に供給される駆動電流の値が決定され、決定された駆動電流がインバータ２０から旋回用電動機２１に供給される。

　非常時操作部４０を操作して上部旋回体３を旋回させるには、まず、ＯＮ－ＯＦＦスイッチ４２ａを操作してＯＮ信号をインバータ２０に送信する。これにより、インバータ２０はコントローラ３０との間の通信を遮断し、非常時操作部４０からの制御信号でインバータ２０が制御できる状態に設定する。

　その後、図６－（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、加減速切替えスイッチ４２ｃから出力される加速信号がＯＮとなる。加速信号がＯＮとなると、インバータ２０は、パーキングブレーキ信号をＯＦＦとしてメカニカルブレーキ２３によるブレーキを解除する。時刻ｔ１において加速信号がＯＮとなると、インバータ２０は予め設定された旋回トルク指令値（正の値）を生成し、生成した旋回トルク指令値に応じた駆動電流を旋回用電動機２１に供給する。旋回トルク指令値は予め設定された値に維持される。従って、旋回用電動機２１は予め設定された旋回トルク指令値に応じた駆動電流で駆動され、回転速度は上昇していく。

　図６－（ｄ）に示すように、上部旋回体３の旋回速度には速度リミット（速度上限値）が設定されており、旋回速度が速度リミットに到達すると、それ以上旋回速度が上昇しないように、旋回トルク指令値が低減される。すなわち、非常時には上部旋回体３を急激に旋回させると危険なので、上部旋回体３が低速で旋回するように旋回速度にリミットをかけている。したがって、時刻ｔ２において旋回速度が速度リミットに到達すると、旋回トルク指令値は低減され、旋回速度は速度リミットより大きくならないように維持される。

　続いて、運転者が加減速切替えスイッチ４２ｃを加速位置からから中立位置に操作すると、時刻ｔ３において加速信号がＯＦＦとなり、中立信号がＯＮとなる。中立信号がＯＮとなると、旋回トルク指令値はゼロとなり、旋回用電動機２１への駆動電流はゼロとなる。したがって、旋回用電動機２１は惰性で回転し、上部旋回体３も慣性力で旋回するだけとなり、次第に旋回速度は減少していく。

　続いて、運転者が加減速切替えスイッチ４２ｃを中立位置からから減速位置に操作すると、時刻ｔ４において中立信号がＯＦＦとなり、減速信号がＯＮとなる。減速信号がＯＮとなると、インバータ２０は旋回トルク指令（負の値）を生成し、生成した旋回トルク指令値に応じた駆動電流を旋回用電動機２１に供給する。このときの駆動電流は旋回用電動機を反対向きに回転させる向きである。従って、旋回用電動機２１は予め設定された旋回トルク指令値に応じた駆動電流で減速方向に駆動され、回転速度は低下していくので、上部旋回体３の旋回速度も次第に低減していく。

　そして、上部旋回体３の旋回速度がゼロになって停止すると、運転者は加減速切替えスイッチ４２ｃを減速位置から中立位置に操作する。これにより、減速信号はＯＦＦとなり、中立信号がＯＮとなる。中立信号がＯＮとなるので、旋回トルク指令値はゼロとなり、上部旋回体３は停止状態に維持される。

　中立信号がＯＮとなった状態で、旋回速度がほぼゼロの状態が所定時間続くと、時刻ｔ６において、インバータ２０はパーキングブレーキ信号をＯＮとする。これにより、メカニカルブレーキ２３は旋回用電動機２１にブレーキを掛け、上部旋回体３は停止した位置に固定される。

　以上の動作により、運転者は、非常時操作部４０を操作して、上部旋回体３を所望の方向に旋回させて所望の旋回位置に停止させることができる。したがって、コントローラ３０の異常や通信制御ライン３２の異常により、上部旋回体３を制御できない状態となっても、運転者が非常時操作部４０を操作することで、上部旋回体３を所望の方向に旋回させて所望の旋回位置に停止させることができる。また、この状態は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ：Engine Control Unit）には異常が発生していないため、エンジン１１の動力により油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）を駆動させることが可能な状態である。このため、オペレータは、非常時操作部４０を操作して上部旋回体３の向きを所定の方向へ向けた後、操作装置２６を操作してショベルを所定の場所まで移動させることができる。

　次に、非常時操作部４０を操作して上部旋回体３を旋回させる他の例における制御要素の変化について説明する。図７は非常時操作部４０を操作して上部旋回体３を旋回させるときの各制御要素の変化を示すタイムチャートである。図７に示す例は、図４に示す非常時操作部４０を使用したときの例である。

　図７（ａ）は、非常時操作部４０の加減速切替えスイッチ４２ｃから出力される制御信号の変化を示すグラフである。加減速切替えスイッチ４２ｃからは、加速信号と中立信号と減速信号が出力され、インバータ２０に入力される。

　図７（ｂ）はインバータ２０が生成してメカニカルブレーキ２３に出力されるパーキングブレーキ信号の変化を示すブラフである。パーキングブレーキ信号がＯＮとなるとメカニカルブレーキ２３は旋回用電動機２１に機械的にブレーキを掛けて旋回用電動機２１を固定することで、上部旋回体３の旋回位置を固定する。

　図７（ｃ）は上部旋回体３の旋回速度の変化を示すグラフである。上部旋回体３の旋回速度は、レゾルバ２２で検出する旋回用電動機の回転数（回転速度）に比例するので、旋回速度の代わりにレゾルバ２２で検出した旋回用電動機の回転数をそのまま用いてもよい。図７（ｃ）には、旋回速度指令値が点線で示され、それ対する実際の旋回速度検出値が実線で示されている。

　図７（ｄ）はインバータ２０で生成される旋回トルク指令値を制限する旋回制限トルク値の変化を示すグラフである。旋回トルク指令値は速度偏差に応じて旋回制限トルク値を超えないように設定される。このようにインバータ２０で生成される旋回トルク指令値に基づいて、旋回用電動機２１に供給される駆動電流の値が決定され、決定された駆動電流がインバータ２０から旋回用電動機２１に供給される。

　その後、図７（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、加減速切替えスイッチ４２ｃから出力される加速信号がＯＮとなる。加速信号がＯＮとなると、インバータ２０は、パーキングブレーキ信号をＯＦＦとしてメカニカルブレーキ２３によるブレーキを解除する。時刻ｔ１において加速信号がＯＮとなると、インバータ２０は、予め設定されている時間－速度のパターンに基づいて旋回トルク指令値（正の値）を生成し、生成した旋回トルク指令値に応じた駆動電流を旋回用電動機２１に供給する。このとき、旋回トルク指令値は予め設定された旋回制限トルク値Ｔ１を超えないように設定される。旋回用電動機２１は予め設定された旋回トルク指令値に応じた駆動電流で駆動され、回転速度は上昇していく。

　図７（ｄ）に示すように、旋回速度指令値に対して旋回速度検出値は遅れて変化する。旋回トルク指令値は、旋回速度指令値に対して旋回速度検出値との偏差に基づいて生成され、旋回制限トルク値Ｔ１により制限が加えられる。上部旋回体３の旋回加速度が大きすぎると危険なため、低速で旋回させるために、旋回トルク指令値に制限を加えている。

　続いて、運転者が加減速切替えスイッチ４２ｃを加速位置からから中立位置に操作すると、時刻ｔ２において加速信号がＯＦＦとなり、中立信号がＯＮとなる。中立信号がＯＮとなると、旋回トルク指令値はゼロとなり、旋回用電動機２１への駆動電流はゼロとなる。したがって、旋回用電動機２１は惰性で回転し、上部旋回体３も慣性力で旋回するだけとなり、次第に旋回速度は減少していく。

　時刻ｔ２において加速信号がＯＦＦとなると、図７（ｄ）に示すように、旋回制限トルク値は、負の値－Ｔ２に設定される。中立信号がＯＮとなっても、旋回トルク指令値は旋回速度指令値と旋回速度検出値との偏差に基づいて生成されるので、旋回トルク指令値が負の値となることがあり、このときの旋回トルク指令値にリミットを設けるために、旋回制限トルク値を－Ｔ２に設定する。

　続いて、運転者が加減速切替えスイッチ４２ｃを中立位置からから減速位置に操作すると、時刻ｔ３において中立信号がＯＦＦとなり、減速信号がＯＮとなる。減速信号がＯＮとなると、インバータ２０は旋回トルク指令（負の値）を生成し、生成した旋回トルク指令値に応じた駆動電流を旋回用電動機２１に供給する。このときの駆動電流は旋回用電動機を反対向きに回転させる向きである。従って、旋回用電動機２１は、旋回速度指令値と旋回速度検出値との偏差に基づいて決定された旋回トルク指令値に応じた駆動電流で減速方向に駆動され、回転速度は低下していくので、上部旋回体３の旋回速度も次第に低減していく。このとき、旋回トルク指令値を制限する旋回制限トルク値は、負の値－Ｔ３に設定される。減速中の旋回制限トルク値－Ｔ３の絶対値は、加速中の旋回制限トルク値Ｔ１の絶対値より大きく設定することが好ましい。上部旋回体３を減速する際は加速する際よりも急減であってもよいためである。

　そして、上部旋回体３の旋回速度がゼロになって停止すると、運転者は加減速切替えスイッチ４２ｃを減速位置から中立位置に操作する。これにより、減速信号はＯＦＦとなり、中立信号がＯＮとなる。中立信号がＯＮとなるので、旋回トルク指令値はゼロとなり、ゼロのままとなって、上部旋回体３は停止状態に維持される。

　中立信号がＯＮとなった状態で、旋回速度がほぼゼロの状態が所定時間続くと、時刻ｔ５において、インバータ２０はパーキングブレーキ信号をＯＮとする。これにより、メカニカルブレーキ２３は旋回用電動機２１にブレーキを掛け、上部旋回体３は停止した位置に固定される。

　ここで、上述の旋回制限トルク値の変化のパターン（加速時はＴ１，中立時は－Ｔ２、減速時は－Ｔ３というパターン）は、予めマップ情報としてインバータ２０に設けられたメモリ２０ａに格納されている。インバータ２０は、非常時操作部４０からの制御信号に基づいて、メモリ２０ａに格納されているマップ情報を参照しながら旋回トルク指令値を決定する。あるいは、マップ情報を非常時操作部４０に設けられたメモリ４０ａに格納しておき、制御信号とともにマップ情報をインバータ２０に送信することとしてもよい。

　ここで、ショベル自体が傾斜したところに停止しているときには、上部旋回体３の旋回面も傾斜するので、上部旋回体３の旋回させる方向によって旋回力を変更することが好ましい。すなわち、ショベルが傾斜しているときは、上部旋回体３に取り付けられたブーム４を高い位置に持ち上げる方向に旋回するときには、平地のときよりも大きな旋回力が必要であり、反対にブーム４を低い位置に下げる方向に旋回するときには、平地のときよりも小さな旋回力でよい。したがって、図７に示す例の場合で考えると、旋回トルク指令値を制限するための旋回制限トルク値は、ショベルの傾斜角度に応じて変更することが好ましい。

　そこで、図８に示す例では、ショベルの傾斜角度に応じて旋回制限トルク値を変更している。なお、図８－（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すグラフは、図７－（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すグラフと同様であり、その説明は省略する。図８－（ｄ）に示すように、ショベルの傾斜角度が大きいときに、旋回方向がブーム４を高い位置に持ち上げる方向である場合は、旋回制限トルク値をＴ１よりも大きくしてより強く加速できるようにする。また、ショベルの傾斜角度が大きいときに、旋回方向がブーム４を低い位置に下げる方向である場合は、旋回制限トルク値の絶対値を－Ｔ２及び－Ｔ３の絶対値よりも大きくしてより大きい減速できるようにする。

　このような旋回制限トルク値の変更を可能にするため、ショベルの傾斜角度に応じて複数のマップ情報を準備して上述のメモリ４０ａ又はメモリ２０ａに格納しておく。インバータ２０は、傾斜センサ５０からの傾斜角度情報に基づいて、傾斜角度に対応するマップ情報を参照し、旋回制限トルク値を決定する。

　本明細書ではハイブリッド式ショベルの実施形態により本発明を説明したが、本発明は具体的に開示された上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形例及び改良例がなされるであろう。

　本出願は、２０１１年８月９日出願の優先権主張日本国特許出願第２０１１－１７４４００号に基づくものであり、その全内容は本出願に援用される。

　本発明は、建設機械等に設けられた旋回体を駆動する旋回駆動装置に適用可能である。

　１　下部走行体
　１Ａ、１Ｂ　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
　１１ａ　エンジン回転数検出器
　１１ｂ　エンジンコントロールユニット
　１２　電動発電機
　１３　変速機
　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
　１８Ａ，２０　インバータ
　１９　キャパシタ
　２０ａ　メモリ
　２１　旋回用電動機
　２２　レゾルバ
　２３　メカニカルブレーキ
　２４　旋回変速機
　２５　パイロットライン
　２６　操作装置
　２６Ａ、２６Ｂ　レバー
　２６Ｃ　ペダル
　２６Ｄ　ボタンスイッチ
　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
　３２　制御信号ライン
　４０　非常時操作部
　４０ａ　メモリ
　４２ａ　ＯＮ－ＯＦＦスイッチ
　４２ｂ　旋回方向切替えスイッチ
　４２ｃ　加減速切替えスイッチ
　４２ｄ　駆動スイッチ
　５０　傾斜センサ
　１００　昇降圧コンバータ
　１１０　ＤＣバス
　１１１　ＤＣバス電圧検出部
　１１２　キャパシタ電圧検出部
　１１３，１１６　キャパシタ電流検出部
　１１４，１１７　電源ライン
　１１５，１１８　接続点
　１２０　蓄電系
　１２０Ａ　コンバータ
　１３０－１，１３０－２　リレー

Claims

　エンジンの動力を電力へ変換し、変換した電力により旋回体を回動させる旋回駆動装置であって、
　電気エネルギを蓄電する蓄電装置と、
　蓄電装置からの電力で駆動されて旋回体を駆動する旋回用電動機と、
　該旋回用電動機の駆動を制御するインバータと、
　制御信号ラインを介して前記インバータに接続されたコントローラと、
　前記旋回用電動機の制御に異常が発生したときに前記インバータに指令を与える非常時操作部と
　を有し、
　前記インバータは、前記非常時操作部からの信号に基づいて、前記制御信号ラインを遮断し、且つ前記旋回用電動機の駆動を制御することを特徴とする旋回駆動装置。
　請求項１記載の旋回駆動装置であって、
　前記非常時操作部又は前記インバータは、前記旋回用電動機に供給する電流値を決定するマップが格納された記憶部を有していることを特徴とする旋回駆動装置。
　請求項１又は２記載の旋回駆動装置であって、
　前記旋回用電動機に機械的にブレーキを掛けるメカニカルブレーキを更に有し、
　該メカニカルブレーキは前記非常時操作部に基づいて動作が制御されることを特徴とする旋回駆動装置。
　請求項２記載の旋回駆動装置であって、
　前記記憶部は、傾斜センサにより検出した傾斜角度に応じた電流値を決定するために、複数の前記マップを格納していることを特徴とする旋回駆動装置。
　請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の旋回駆動装置であって、
　前記非常時操作部は、左旋回及び右旋回のいずれか一方を選択する選択ボタンを有することを特徴とする旋回駆動装置。