(57)【要約】【課題】旋回動作を電動機によって行う油圧／電気併用方式のショベルにおいて、エンジン回転数の変化や複合操作による旋回特性の変化を全油圧ショベルのそれにより近いものとして操作性を改善する。【解決手段】旋回電動機１９を旋回操作量に応じた速度に制御し、かつ、アクセル操作量、油圧アクチュエータ操作量、モード状態の少なくともいずれか一つに応じて、アクセル操作量の減少、油圧アクチュエータ操作量の増加、燃料供給量が減少するモード状態に対して旋回の加速が鈍化する方向に、旋回電動機の旋回トルクの制限値を変化させるように構成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、エンジンを動力源とする油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、上記旋回電動機に対する旋回指令を出す旋回操作手段と、上記油圧アクチュエータに対する作動指令を出す油圧アクチュエータ操作手段と、上記エンジンへの燃料供給量を設定するアクセルと、作業モードをエンジンへの燃料供給量が異なる複数のモード間で切換えるモード切換手段と、上記旋回電動機を制御する制御手段とを具備し、上記制御手段は、上記旋回電動機を上記旋回操作手段の操作量に応じた速度に制御し、かつ、上記アクセルの操作量、上記油圧アクチュエータ操作手段の操作量、上記モード切換手段によって選択されたモード状態の少なくともいずれか一つに応じて、上記アクセル操作量の減少、油圧アクチュエータ操作量の増加、燃料供給量が減少するモード状態に対して旋回の加速が鈍化する方向に、旋回電動機の旋回トルクの制限値を変化させる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。
【請求項２】
旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、エンジンを動力源とする油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、上記旋回電動機に対する旋回指令を出す旋回操作手段と、上記油圧アクチュエータに対する作動指令を出す油圧アクチュエータ操作手段と、上記エンジンへの燃料供給量を設定するアクセルと、作業モードをエンジンへの燃料供給量が異なる複数のモード間で切換えるモード切換手段と、上記旋回電動機を制御する制御手段とを具備し、上記制御手段は、上記旋回電動機を上記旋回操作手段の操作量に応じた速度に制御し、かつ、上記アクセルの操作量、上記油圧アクチュエータ操作手段の操作量、上記モード切換手段によって選択されたモード状態の少なくともいずれか一つに応じて、上記アクセル操作量の減少、油圧アクチュエータ操作量の増加、燃料供給量が減少するモード状態に対して旋回の加速が鈍化する方向に旋回電動機の旋回加速度を変化させる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。
【請求項３】
旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、エンジンを動力源とする油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、上記旋回電動機に対する旋回指令を出す旋回操作手段と、上記油圧アクチュエータに対する作動指令を出す油圧アクチュエータ操作手段と、上記エンジンへの燃料供給量を設定するアクセルと、作業モードをエンジンへの燃料供給量が異なる複数のモード間で切換えるモード切換手段と、上記旋回電動機を制御する制御手段とを具備し、上記制御手段は、上記旋回電動機を上記旋回操作手段の操作量に応じた速度に制御し、かつ、上記アクセルの操作量、上記油圧アクチュエータ操作手段の操作量、上記モード切換手段によって選択されたモード状態の少なくともいずれか一つに応じて、上記アクセル操作量の減少、油圧アクチュエータ操作量の増加、燃料供給量が減少するモード状態に対して旋回の加速が鈍化する方向に、旋回電動機パワーの制限値を変化させる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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は油圧アクチュエータによる油圧動作と、電動機による旋回動作を併用する油圧／電気併用式の作業機械の旋回制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ショベルを例にとって背景技術を説明する。
【０００３】
ショベルは、図１３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、エンジン駆動の油圧ポンプからの圧油で油圧アクチュエータを作動させることによって全ての動作を行わせる全油圧駆動方式に代えて、特許文献１に示されるように、旋回動作を電動機（旋回電動機）によって行わせ、他の動作はこれまで通り油圧ポンプで駆動される油圧アクチュエータによって行わせる油圧／電気併用方式が提案されている。以下、必要に応じて全油圧駆動方式をとるショベルを全油圧ショベル、併用方式をとるショベルを併用ショベルという。
【０００５】
この併用ショベルでは、旋回動作が電動機で独立して行われ、エンジン回転数や油圧動作に影響されることがないため、次の点で全油圧ショベルと異なった動きが発生する。
【０００６】
（Ａ）エンジン回転数との関係
全油圧ショベルでは、アクセルの操作量に比例してエンジンへの燃料供給が変化し、エンジン回転数が変化する。
【０００７】
また、作業モードを、たとえば重作業モード、標準作業モード、軽作業（美操作）モードの三つのモード間で切換える方式をとる場合、全油圧ショベルでは各モードに応じてエンジンへの燃料供給量が変化し（重作業モードで最大となる）、エンジン回転数が変化する。
【０００８】
このようなエンジン回転数の変化に対して、全油圧ショベルでは油圧ポンプの吐出量が減少し、旋回モータ（油圧モータ）の圧力も低下するため、旋回の速度と加速度が低下するのに対して併用ショベルでは旋回の速度も加速度も変化しない。
【０００９】
（Ｂ）複合操作時
旋回中にブーム上げ等の油圧動作を行わせる複合操作時に、全油圧ショベルでは、油圧動作によって旋回モータ（油圧モータ）への供給油量が減少し、圧力も低下するため旋回の速度と加速度が低下する。これに対し、併用ショベルでは旋回速度、加速度の変化は一切生じない。
【００１０】
このため、このような全油圧ショベルの動きに慣れたオペレータにとって、上記（Ａ）（Ｂ）のケースで旋回速度、加速度が変化しない併用ショベルでは動きに違和感があり、この点で操作性が悪いという問題があった。
【００１１】
なお、特許文献１には、エンジン回転数の変化に対して旋回速度が変化しないため違和感があるという問題に対し、エンジン回転数に応じて旋回速度を変えることにより、油圧ショベルの動きに似せる制御技術が開示されている。
【００１２】
従って、この技術を応用し、複合操作時にも旋回速度を変化させるように旋回電動機を制御することが考えられる。
【特許文献１】ＷＯ  ２００６／００４０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、全油圧ショベルにおいてエンジン回転数の変化時や複合操作時の旋回特性として、ポンプから旋回モータに供給される油量の低下に伴って同時に圧力が低下することで加速が鈍り、速度が低下するのであって、単に速度を制御するだけでは、『加速が鈍る』という実際の動き、感覚が得られない。
【００１４】
たとえば、複合操作の代表例として、旋回／ブーム上げ複合操作時には、ブームシリンダに対する供給油量の変化が大きく、それだけ全油圧ショベルでは加速の鈍化も激しいため、単なる速度制御では油圧旋回の特性が十分実現されず、なお操作の違和感が残ることになる。
【００１５】
そこで本発明は、エンジン回転数の変化や複合操作による旋回特性の変化を全油圧ショベルのそれにより近いものと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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１の発明は、旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、エンジンを動力源とする油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、上記旋回電動機に対する旋回指令を出す旋回操作手段と、上記油圧アクチュエータに対する作動指令を出す油圧アクチュエータ操作手段と、上記エンジンへの燃料供給量を設定するアクセルと、作業モードをエンジンへの燃料供給量が異なる複数のモード間で切換えるモード切換手段と、上記旋回電動機を制御する制御手段とを具備し、上記制御手段は、上記旋回電動機を上記旋回操作手段の操作量に応じた速度に制御し、かつ、上記アクセルの操作量、上記油圧アクチュエータ操作手段の操作量、上記モード切換手段によって選択されたモード状態の少なくともいずれか一つに応じて、上記アクセル操作量の減少、油圧アクチュエータ操作量の増加、燃料供給量が減少するモード状態に対して旋回の加速が鈍化する方向に、旋回電動機の旋回トルクの制限値を変化させるように構成されたものである。
【００１７】
請求項２の発明は、旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、エンジンを動力源とする油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、上記旋回電動機に対する旋回指令を出す旋回操作手段と、上記油圧アクチュエータに対する作動指令を出す油圧アクチュエータ操作手段と、上記エンジンへの燃料供給量を設定するアクセルと、作業モードをエンジンへの燃料供給量が異なる複数のモード間で切換えるモード切換手段と、上記旋回電動機を制御する制御手段とを具備し、上記制御手段は、上記旋回電動機を上記旋回操作手段の操作量に応じた速度に制御し、かつ、上記アクセルの操作量、上記油圧アクチュエータ操作手段の操作量、上記モード切換手段によって選択されたモード状態の少なくともいずれか一つに応じて、上記アクセル操作量の減少、油圧アクチュエータ操作量の増加、燃料供給量が減少するモード状態に対して旋回の加速が鈍化する方向に旋回電動機の旋回加速度を変化させるように構成されたものである。
【００１８】
請求項３の発明は、旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、エンジンを動力源とする油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、上記旋回電動機に対する旋回指令を出す旋回操作手段と、上記油圧アクチュエータに対する作動指令を出す油圧アクチュエータ操作手段と、上記エンジンへの燃料供給量を設定するアクセルと、作業モードをエンジンへの燃料供給量が異なる複数のモード間で切換えるモード切換手段と、上記旋回電動機を制御する制御手段とを具備し、上記制御手段は、上記旋回電動機を上記旋回操作手段の操作量に応じた速度に制御し、かつ、上記アクセルの操作量、上記油圧アクチュエータ操作手段の操作量、上記モード切換手段によって選択されたモード状態の少なくともいずれか一つに応じて、上記アクセル操作量の減少、油圧アクチュエータ操作量の増加、燃料供給量が減少するモード状態に対して旋回の加速が鈍化する方向に、旋回電動機パワーの制限値を変化させるように構成されたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、アクセル操作量、油圧アクチュエータ操作量、モード状態の少なくともいずれか一つに応じて旋回電動機の旋回トルクの制限値を変化させ（請求項１）、もしくは旋回加速度を変化させ（請求項２）、または旋回電動機パワーの制限値を変化させる（請求項３）構成、つまり、
ｉ．アクセル操作量の減少、
ｉｉ．油圧アクチュエータ操作量の増加、
ｉｉｉ．燃料供給量が減少するモード状態
に対して旋回の加速を鈍化させる構成としたから、上記ｉ〜ｉｉｉの場合に、旋回の加速が鈍りながら速度が低下するという全油圧ショベルの動きにきわめて近い動き、感覚を実現することができる。このため、全油圧ショベルとの比較において違和感がなくなり、この点で操作性を改善することができる。
【００２０】
この場合、請求項１の発明では、旋回操作量に応じた速度目標値を求め、この速度目標値に向けた速度制御を行うために旋回電動機にトルク指令を出す段階で、このトルク指令値に制限をかける処理が行われる。
【００２１】
これに対し、請求項２，３の発明では、旋回操作量に応じた速度目標値を求め、この速度目標値に向けた速度制御のための速度指令値を求める段階で加速制限（請求項２）またはパワー制限（請求項３）をかける処理が行われるが、最終的な加速パターンは同じとなり、いずれも加速の鈍化を伴う速度低下の結果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施形態を図１〜図１２によって説明する。
【００２３】
図１〜図６に示す第１実施形態では、請求項１に対応する、旋回トルクの制限値を変化させる制御を行い、図７〜図９に示す第２実施形態では、請求項２に対応する、旋回加速度を変化させる制御を行い、図１０〜図１２に示す第３実施形態では、請求項３に対応する、旋回電動機パワーの制限値を変化させる制御を行うように構成されている。
【００２４】
第１実施形態
図１に第１実施形態にかかる旋回制御装置の全体構成を示す。
【００２５】
まず、駆動系を説明すると、エンジン１１の動力が動力分配装置１２を介して油圧ポンプ１３と発電電動機１４に加えられる。
【００２６】
油圧ポンプ１３にはコントロールバルブ１５を介して図１３のブームシリンダ６ほかの油圧アクチュエータ（一括して符号１６を付している）が接続され、これらが油圧ポンプ１３からの圧油によって駆動される。
【００２７】
発電電動機１４からの電力は、発電電動機用及び旋回電動機用の両インバータ１７,１８を介して旋回電動機１９に送られ、この旋回電動機１９の回転力が旋回減速機構２０を介して上部旋回体２に伝えられて同旋回体２が図１３の縦軸Ｏまわりに旋回する。
【００２８】
両インバータ１７,１８間にはバッテリ２１が設けられ、このバッテリ２１が発電電動機１４と組み合わされて旋回電動機１９の電源として使用される。
【００２９】
２２は旋回電動機１９の回転速度（実速度）を検出する旋回速度検手段としてのエンコーダで、このエンコーダ２２で検出された旋回速度が制御手段としてのコントローラ２３に入力される。
【００３０】
また、操作設備として、旋回操作手段である旋回操作レバー２４と、油圧アクチュエータ操作手段である油圧アクチュエータ操作レバー（図１では油圧操作レバーと表記している）２５と、エンジン１１への燃料供給量を設定するアクセル２６と、作業モードをエンジン１１への燃料供給量が異なる複数のモード（たとえば燃料供給量が最大の重作業モード、中間の標準モード、最小の軽作業モード）間で切換えるモード切換手段としてのモード切換スイッチ２７とが設けられ、両レバー２４,２５の操作量（以下、旋回操作量、油圧操作量という）、アクセル操作量、モード状態が、それぞれを検出する図示しない検出手段を介してコントローラ２３に入力される。
【００３１】
コントローラ２３の構成を図２に示す。
【００３２】
コントローラ２３は、基本的な構成要素として、図３のマップに基づいて旋回操作量から目標旋回速度を演算し、この目標旋回速度を得るための速度指令値を生成する速度指令値生成手段２８と、エンコーダ２２で検出された実際の旋回速度と上記速度指令値（目標旋回速度）とに基づいてたとえばフィードバック速度制御（ＰＩ制御）を行うためのトルク指令値を出力する速度制御手段２９と、この速度制御手段２９からのトルク指令値に基づいてトルク（電流）を制御するトルク制御手段３０とを具備している。
【００３３】
ここで、特許文献１に開示された技術を応用した場合、たとえば旋回と油圧アクチュエータ動作の複合操作時に、旋回の動きを全油圧ショベルのそれに近づける制御として、油圧操作量に応じて速度指令値を減らし、この減らされた速度指令に基づく速度フィードバック制御を行うことが考えられる。
【００３４】
これに対し、第１実施形態においては、上記例のケースで旋回の動きを全油圧ショベルのそれに近づけるための構成要素として、トルク制限値生成手段３１と、トルク制限手段３２とが設けられている。
【００３５】
トルク制限値生成手段３１では、油圧操作量、アクセル操作量、モード状態に応じて旋回トルクの制限値を求める。
【００３６】
たとえば油圧操作量については図４のマップに基づき、操作量の増加に対してトルク制限値を低下させ、アクセル操作量については図５のマップに基づき、操作量の減少に対してトルク制限値を低下させる。
【００３７】
また、モード状態については、標準モードを基準としてトルク制限値を重作業モードで低下させ、軽作業モードで高くする。
【００３８】
トルク制限手段３２では、トルク制限値生成手段３１から送られるトルク制限値に基づいて速度制御手段２９からのトルク指令値に制限を加え、この制限された値を最終的なトルク指令値としてトルク制御手段３０に送る。
【００３９】
この結果、たとえば複合操作時に、図６に示すように旋回トルクが制限されて旋回の加速が鈍り、油圧操作量が大きいほどこのトルク制限（加速の鈍化）がきつくなる。
【００４０】
これにより、油圧操作量に応じて加速が鈍りながら旋回速度が低下するという、油圧旋回にきわめて近い旋回特性が得られる。アクセル操作量、モード状態についても同じである。
【００４１】
第２実施形態
図７〜図９に示す第２実施形態において、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して示し、その重複説明を省略する。
【００４２】
第１実施形態との相違点のみを説明すると、図２と図７を比較して分かるように、第１実施形態のトルク制限値生成手段３１に代えて加速度生成手段３３が設けられている。
【００４３】
この加速度生成手段３３は、油圧アクチュエータ操作量については図８のマップに基づき、アクセル操作量については図９のマップに基づき、それぞれ旋回の加速度を、前者の増加に対しては低下させ、後者の増加に対しては高める。また、重作業モードで加速度を低下させる。
【００４４】
この加速度生成手段３３で求められた加速度が速度指令値生成手段２８に送られ、同手段２８において目標速度に加速制限を加えた速度指令値を求め、これを速度制御手段２９に送る。
【００４５】
この結果、第１実施形態と同様に、たとえば複合操作時に油圧操作量の増加に応じて旋回の加速が鈍りながら旋回速度が低下するという、油圧旋回にきわめて近い旋回特性を得ることができる。
【００４６】
第３実施形態
第３実施形態においては、図１０に示すように、第１実施形態のトルク制限値生成手段３１、第２実施形態の加速度生成手段３３に代えてパワー制限値生成手段３４が設けられるとともに、第１実施形態のトルク制限手段３２に代えてパワー制限手段３５が設けられている。
【００４７】
パワー制限値生成手段３１は、油圧操作量については図１１のマップに基づいて、アクセル操作量については図１２のマップに基づいてそれぞれ旋回電動機１９のパワー制限値（パワーは速度×トルク）を、前者の増加に対しては低下させ、後者の増加に対して高める方向に設定する。また、重作業モードでパワー制限値を低下させる。
【００４８】
パワー制限手段３５は、このパワー制限値生成手段３４で求められたパワー制限値から最大トルクを、
最大トルク＝パワー制限値÷電動機速度
で算出し、電動機パワーがパワー制限値以下となるようにトルク(電流)制御手段３０に向けてトルク指令値を出力する。
【００４９】
この第３実施形態によっても、第１、第２両実施形態と同様に加速の鈍化を伴う速度低下の結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる旋回制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】同装置内のコントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】同装置による旋回操作量と目標旋回速度の関係を示す図である。
【図４】同油圧アクチュエータ操作量とトルク制限値の関係を示す図である。
【図５】同アクセル操作量とトルク制限値の関係を示す図である。
【図６】同装置による制御結果としての旋回トルク及び旋回速度の時間に対する変化状況を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態にかかる旋回制御装置のコントローラの構成を示すブロック図である。
【図８】同装置による油圧アクチュエータ操作量と加速度の関係を示す図である。
【図９】同アクセル操作量と加速度の関係を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態にかかる旋回制御装置のコントローラの構成を示すブロック図である。
【図１１】同装置による油圧アクチュエータ操作量とパワー制限値の関係を示す図である。
【図１２】同アクセル操作量とパワー制限値の関係を示す図である。
【図１３】本発明の適用対象であるショベルの概略側面図である。
【符号の説明】
【００５１】
２  旋回体
１１  エンジン
１３  油圧ポンプ
１４  発電電動機
１９  電動機
２３  コントローラ(制御手段)
２４  旋回操作レバー(旋回操作手段)
２５  油圧アクチュエータ用操作レバー(油圧アクチュエータ操作手段)
２６  アクセル
２７  モード切換スイッチ(モード切換手段)
２８  速度指令値生成手段
２９  速度制御手段
３０  トルク(電流)制御手段
３１  トルク制限値生成手段
３２  トルク制限手段
３３  加速度生成手段
３４  パワー制限値生成手段
３５  パワー制限手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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