JP3942948B2 - 作業機械の旋回制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機によって旋回体を旋回駆動する油圧ショベルやクレーン等の作業機械の旋回制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ショベルを例にとって説明する。
【０００３】
ショベルは、図９に示すように、クローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が縦軸Ｏまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に、ブーム３、アーム４、バケット５及びブーム用、アーム用、バケット用各シリンダ６，７，８を備えた掘削アタッチメントＡが装着されて構成される。
【０００４】
このショベルにおいて、最近、これまでの油圧駆動に代えて、あるいは油圧駆動に加えて電動機を駆動源とする方式が提案され、旋回体の駆動源として電動機を用いる方式も提案されている（たとえば特開２００１−１０７８３）。
【０００５】
このように旋回駆動源として電動機を用いる場合、普通は、操作手段の操作量に応じた旋回速度の目標値と実際値の差に基づいて電動機の速度を制御するフィードバック速度制御を行うこととなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このフィードバック速度制御のみによる旋回制御方式によると、次のような問題が生じる。
【０００７】
図１０は上部旋回体２を地上で普通に旋回させる自由旋回状態を示し、この自由旋回を行う通常作業時には、フィードバック速度制御方式により、操作手段の操作量に応じた旋回速度制御を行うことができるため、操作上問題はない。
【０００８】
一方、図１１に示すようにバケット５の側面を溝９の壁面９ａに図矢印方向に押し付けて壁面９ａを掘削形成する押し付け作業時には、旋回速度がほぼ０となるため、フィードバック速度制御では旋回速度の目標値と実際値の偏差が大きくなり、フィードバック作用によってわずかの操作量でも旋回トルク（電動機トルク）が最大となる。
【０００９】
このため、このような旋回による押し付け作業時にオペレータによるトルク制御が不能となり、操作性が損なわれる。
【００１０】
そこで本発明は、電動機駆動方式において押し付け作業時の旋回トルク制御を可能にして操作性を改善することができる作業機械の旋回制御装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、旋回体を旋回駆動する電動機と、旋回指令を出す操作手段と、この操作手段からの旋回指令に基づいて上記電動機を制御する制御手段と、旋回速度を検出する旋回速度検出手段とを具備し、上記制御手段により、上記操作手段の操作量に応じた速度制御を行う作業機械の旋回制御装置において、上記制御手段は、上記旋回体の一部を作業対象に押し付ける押し付け作業状態と判断したときに、上記速度制御に代えて、上記操作手段の操作量に応じたトルク制御を行うように構成されたものである。
【００１２】
請求項２の発明は、旋回体を旋回駆動する電動機と、旋回指令を出す操作手段と、この操作手段からの旋回指令に基づいて上記電動機を制御する制御手段と、旋回速度を検出する旋回速度検出手段とを具備し、上記制御手段により、上記操作手段の操作量に応じた速度制御を行う作業機械の旋回制御装置において、上記制御手段は、上記旋回体の一部を作業対象に押し付ける押し付け作業状態と判断したときに、上記速度制御に操作手段の操作量に応じたトルク制限を加えた制御を行うように構成されたものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の構成において、制御手段は、旋回速度の実際値が上記操作手段の操作量に応じた目標値よりも小さいときに押し付け作業状態と判断するように構成されたものである。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、制御手段は、操作手段の操作量が旋回動き出し位置よりも大きい状態で、旋回速度の実際値が０に近い設定値以下のときに押し付け作業状態と判断するように構成されたものである。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの構成において、操作手段が旋回動き出し位置にある状態で、目標となるトルクが０よりも大きい値となるように構成されたものである。
【００１６】
上記構成によると、押し付け作業時に、操作手段の操作量に応じた速度制御に代えて操作量に応じたトルク制御が行われ（請求項１）、または速度制御にトルク制限を加えた制御が行われる（請求項２, ３）。
【００１７】
すなわち、いずれの構成によっても、押し付け作業時に、操作手段の操作量に応じて旋回トルクを制御することができるため、押し付け作業時の操作性が良くなる。
【００１８】
しかも、制御手段が押し付け作業状態と判断して自動的にトルク制御、またはトルク制限付き速度制御に自動的に切換えられる。
【００１９】
このため、たとえば押し付け作業時にオペレータが制御切換スイッチを操作する等の方式と比較して、全自動での制御が可能となる。
【００２０】
ところで、旋回停止状態から操作手段を旋回動き出し位置よりもやや大きく操作した場合、旋回体の慣性によって速度の実際値は目標値よりも小さい（０またはこれに近い値となる）ため、自由旋回状態であっても、請求項１ではトルク制御が働き、請求項２，３ではトルク制限付きの速度制御が働く。
【００２１】
この場合、請求項５の構成によると、操作手段が旋回動き出し位置にある状態で、目標となるトルク（トルク制御方式におけるトルクの目標値、トルク制限付き速度制御方式におけるトルク制限値）が０よりも大きな値に設定されているため、上記のように操作手段を旋回動き出し位置よりもやや大きく操作した場合に直ちに旋回トルクが作用し、旋回の立ち上がりが早くて速やかに速度制御に切換わる。このため、動き始めの操作性が良いものとなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１〜図８によって説明する。
【００２３】
第１実施形態（図１〜図６参照）
図１にこの実施形態にかかる旋回制御装置の全体構成図を示す。
【００２４】
同図において、１１は操作手段としての操作レバーで、この操作レバー１１の操作方向と操作量が信号変換器１２により電気信号に変換されて制御手段であるコントローラ１３に入力される。
【００２５】
１４はエンジン、１５はこのエンジン１４によって駆動される発電機で、この発電機１５からの電力が発電機用、旋回電動機用の両インバータ１６，１７を介して旋回電動機１８に送られ、この旋回電動機１８の回転力が減速機１９を介して上部旋回体２に伝えられて同旋回体２が図９〜図１１の縦軸Ｏまわりに旋回する。
【００２６】
２０は旋回電動機１８の回転速度を検出する旋回速度検出手段としてのエンコーダで、このエンコーダ２０によって検出された電動機回転速度が旋回速度の実際値としてコントローラ１３に入力される。
【００２７】
なお、旋回電動機１８の電源として、発電機１５のほかバッテリ２１及びキャパシタ２２が設けられ、これら各電源が適宜選択または組み合わされて使用される。あるいは、これら内部電源に代えて、外部電源から電力を供給するように構成してもよい。２３はバッテリ用インバータ、２４はキャパシタ用インバータである。
【００２８】
また、掘削アタッチメントＡの各シリンダ６，７，８等の油圧アクチュエータを駆動する油圧アクチュエータ回路２５の油圧源として油圧ポンプ２６が設けられ、この油圧ポンプ２６がポンプ用電動機２７によって駆動される。２８は同電動機用のインバータである。
【００２９】
コントローラ１３は、図１０に示す自由旋回時には、図２に示す速度ＰＩＤフィードバック制御によって旋回電動機１８を速度制御する。
【００３０】
すなわち、操作レバー１１の操作量Ｓが信号変換器１２を介して操作量信号としてコントローラ１３に入力され、このコントローラ１３でレバー操作量Ｓに応じた旋回速度の目標値ωrefが演算される。
【００３１】
この目標値ωrefと、エンコーダ２０によって検出された旋回速度の実際値ωｓとが比較されてその偏差が求められ、ＰＩＤフィードバック制御により偏差（ωref−ωｓ）を０にする方向の信号が電動機用インバータ１７を介して電動機１８に送られる。
【００３２】
これにより、図３に示すように、上部旋回体２がレバー操作量Ｓに応じた速度で旋回する。図３中、Ｓｃは旋回体２が動き出すレバー位置である。
【００３３】
なお、図２では便宜上、エンコーダ２０の出力を旋回速度の実際値ωｓとして表しているが、実際にはエンコーダ２０によって電動機回転速度が検出され、これを減速機１９の減速比で割って旋回速度ωｓが求められる。
【００３４】
一方、図１１に示す押し付け作業時にはトルク制御が行われる。
【００３５】
すなわち、まず、押し付け作業か否かを判断する手順として、コントローラ１３において、図４に示すように制御周期ｂごとに、レバー操作量Ｓと旋回動き出し位置Ｓｃが比較される（ステップＳ１，Ｓ２）とともに、旋回速度の実際値ωＳと、０に近い微小な値として予め設定された図３に示すしきい値ωｅとが比較され（ステップＳ３）、レバー操作量Ｓが動き出し位置Ｓｃよりも大きく、かつ、旋回速度の実際値ωｓがしきい値ωｅよりも小さいとき（ステップＳ２，Ｓ３でともにＹＥＳのとき）に、押し付け作業と判断して自動的にトルク制御に自動的に切換わり（ステップＳ４）、ステップＳ５で制御周期ｂが更新されてステップＳ１に戻る。なお、ステップＳ２またはステップＳ３でＮＯ（Ｓ＜ＳｃまたはωＳ＞ωｅ）の場合は自由旋回として図２，３のフィードバック速度制御が行われる（ステップＳ６）。
【００３６】
なお、押し付け作業対象物に凹凸がある場合や軟弱な物体の場合、旋回速度が０以上となる場合があり、上記押し付け作業の判定が安定せずにハンチングする場合がある。このような場合には、速度制御のフィードバックゲインを下げるか、あるいは上記判定の切り替えにタイムラグを与えるなどのハンチング抑制手段を設けることが望ましい。
【００３７】
トルク制御においては、図５，６に示すように、レバー操作量Ｓとトルク目標値τrefの関係を設定した操作量−トルクマップ２９からトルク目標値refが求められ、これが電流目標値ｉrefに換算されて、トルクＰＩＤフィードバック制御が行われる。
【００３８】
こうして、押し付け作業が自動的に判断されてトルク制御に切換えられ、このトルク制御により、図６に示すようにレバー操作量Ｓに応じた電動機トルクが得られるため、押し付けトルクをオペレータの意思（レバー操作量）通りに制御することが可能となる。
【００３９】
ところで、この制御方式によると、レバー中立で旋回速度０の状態からレバー１１を図６の動き出し位置Ｓｃよりもやや深く入れた場合、旋回体２の慣性によって速度が０であることから、図１０の自由旋回状態であっても自動的にトルク制御が開始される。
【００４０】
ここで、この装置においては、図６に示すように動き出し位置Ｓｃでのトルク目標値τrefが０よりも大きい大きい値τｃに設定されている。
【００４１】
こうすれば、動き出し位置Ｓｃで旋回トルクτｃが働き、上記のようにレバー１１を動き出し位置Ｓｃよりもやや深く入れた場合に速やかに旋回動作が開始されるため、速度の実際値ωｓが目標値ωrefに素早く到達して速度フィードバック制御に切換わる。このため、動き始めの速度制御性を良くすることができる。
【００４２】
第２実施形態（図７参照）
第１実施形態との相違点のみを説明する。
【００４３】
第２実施形態においては、自由旋回時には第１実施形態同様、図５のフローによる速度フィードバック制御が行われ、押し付け作業時には、図７に示すように速度フィードバック制御に、予め設定された操作量−トルク制限値マップ３０に基づいてレバー操作量Ｓに応じたトルク制限を加えた制御（トルク制限付き速度制御）が行われる。
【００４４】
図７のマップ３０の縦軸に表したτlimはトルク制限値である。
【００４５】
このように、押し付け作業時にトルク制限付きの速度制御を行うことにより、図５，６のトルク制御の場合と同様に、レバー操作量に応じた電動機トルクが得られるため、第１実施形態の場合と同様に押し付け作業時の操作性が良いものとなる。
【００４６】
なお、この第２実施形態、及び次の第３実施形態においても、動き出し位置Ｓｃでのトルク制限値τlimを０よりも大きい値τｃに設定しておくことにより、第１実施形態と同様に動き始めの速度制御性を良くすることができる。
【００４７】
第３実施形態（図８参照）
第３実施形態においては、図８に示すように、速度の実際値ωｓが目標値ωrefよりも小さい場合に、いわゆる力行状態と判断し、この力行状態で速度フィードバック制御からトルク制限付きの速度フィードバック制御に切換えるように構成されている。
【００４８】
詳述すると、制御周期ｂごとに速度の目標値ωrefと実際値ωｓが比較され（ステップＳ１，Ｓ２）、ωref≦ωｓのときは、通常の速度フィードバック制御が行われる（ステップＳ３）。
【００４９】
一方、ωref＞ωｓ（ステップＳ２でＹＥＳ）となると、力行状態と判断して、第２実施形態（図７）のトルク制限付き速度制御に自動的に切換わり（ステップＳ４）、ステップＳ５で制御周期ｂが更新されてステップＳ１に戻る。
【００５０】
従って、力行状態の一種である押し付け作業時に、第２実施形態同様、トルク制限作用によって電動機トルクが制御される。
【００５１】
また、この制御方式によると、自由旋回における加速時においても、旋回速度の実際値ωｓが目標値ωrefよりも小さい状況でトルク制限付きの速度制御作用が働くため、加速度が規制されて加速時のショックが低減される。
【００５２】
しかも、減速時にはトルク制限が働かないため、最大トルクでの減速が可能となり、緊急停止が可能となる。
【００５３】
従って、この点でも操作性が良いものとなる。
【００５４】
ところで、本発明は、ショベルに限らず、ショベルを母体として構成される深穴掘削機や破砕機、それにクレーン等、旋回式作業機械に広く適用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
上記のように本発明によると、押し付け作業時に、操作手段の操作量に応じた速度制御に代えて操作量に応じたトルク制御が行われ（請求項１）、または速度制御にトルク制限を加えた制御が行われる（請求項２，３）ため、押し付け作業時に、操作手段の操作を通じてオペレータの意思のままに旋回トルクを制御することが可能となり、押し付け作業時の操作性を良くすることができる。
【００５６】
しかも、押し付け作業時にトルク制御またはトルク制限付き速度制御に自動的に切換わるため、全自動での制御が可能となる。
【００５７】
さらに請求項５の発明によると、操作手段が旋回動き出し位置にある状態で、目標となるトルクが０よりも大きな値に設定されているため、操作手段を旋回動き出し位置よりもやや大きく操作した場合に直ちに旋回トルクが作用し、旋回の立ち上がりが早くて速やかに速度制御に切換わる。このため、動き始めの操作性が良いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態にかかる制御装置のブロック構成図である。
【図２】 同装置による速度フィードバック制御のフローを示す図である。
【図３】 同制御におけるレバー操作量と速度目標値の関係を示す図である。
【図４】 同装置の作用を説明するためのフローチャートである。
【図５】 同制御によるトルク制御のフローを示す図である。
【図６】 同制御におけるレバー操作量とトルク目標値の関係を示す図である。
【図７】 本発明の第２実施形態にかかる制御装置によるトルク制限付き速度制御のフローを示す図である。
【図８】 本発明の第３実施形態にかかる制御装置の作用を説明するためのフローチャートである。
【図９】 本発明の適用対象例であるショベルの概略側面図である。
【図１０】 同ショベルの正面図である。
【図１１】 同ショベルのバケットを溝の壁面に押し付けた状態の正面図である。
【符号の説明】
２ 上部旋回体
１１ 操作手段としての操作レバー
１２ 操作レバーの操作を電気信号に変換する信号変換器
１３ 制御手段としてのコントローラ
１８ 旋回用電動機
２０ 旋回速度検出手段としてのエンコーダ
１５ 電動機の電源としての発電機
２１ 同バッテリ
２２ 同キャパシタ

Claims (5)

1. 旋回体を旋回駆動する電動機と、旋回指令を出す操作手段と、この操作手段からの旋回指令に基づいて上記電動機を制御する制御手段と、旋回速度を検出する旋回速度検出手段とを具備し、上記制御手段により、上記操作手段の操作量に応じた速度制御を行う作業機械の旋回制御装置において、上記制御手段は、上記旋回体の一部を作業対象に押し付ける押し付け作業状態と判断したときに、上記速度制御に代えて、上記操作手段の操作量に応じたトルク制御を行うように構成されたことを特徴とする作業機械の旋回制御装置。
2. 旋回体を旋回駆動する電動機と、旋回指令を出す操作手段と、この操作手段からの旋回指令に基づいて上記電動機を制御する制御手段と、旋回速度を検出する旋回速度検出手段とを具備し、上記制御手段により、上記操作手段の操作量に応じた速度制御を行う作業機械の旋回制御装置において、上記制御手段は、上記旋回体の一部を作業対象に押し付ける押し付け作業状態と判断したときに、上記速度制御に操作手段の操作量に応じたトルク制限を加えた制御を行うように構成されたことを特徴とする作業機械の旋回制御装置。
3. 制御手段は、旋回速度の実際値が上記操作手段の操作量に応じた目標値よりも小さいときに押し付け作業状態と判断するように構成されたことを特徴とする請求項２記載の作業機械の制御装置。
4. 制御手段は、操作手段の操作量が旋回動き出し位置よりも大きい状態で、旋回速度の実際値が０に近い設定値以下のときに押し付け作業状態と判断するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械の旋回制御装置。
5. 操作手段が旋回動き出し位置にある状態で、目標となるトルクが０よりも大きい値となるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の作業機械の旋回制御装置。

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