(57)【要約】【課題】旋回飛び出し現象を抑制し、しかも通常旋回時には適正な加速性能を確保する。【解決手段】レバー操作量に応じた目標速度と実速度の偏差を求め、この速度偏差に応じた指令速度を出力するフィードバック制御を行い、かつ、加速時に、操作レバーの操作に対して旋回電動機の速度応答に時間遅れが生じるように、予め設定された目標加速度で旋回電動機を加速させる遅れ制御を行うことを前提として、加速時の速度偏差に制限値を予め設定し、速度偏差が上記制限値を超えないように旋回電動機に対する指令速度を制限するように構成した。【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、旋回指令を出す旋回操作手段と、上記旋回電動機の作動を制御する制御手段とを具備し、上記制御手段は、
(ｉ)  上記旋回操作手段の操作量に応じた目標速度と、上記旋回操作手段の操作に対して上記旋回電動機の速度応答に時間遅れが生じるように予め設定された目標加速度とを用いて上記旋回電動機に対する指令速度を設定し、
(ｉｉ)  上記指令速度と、上記旋回電動機の実際の回転速度である実速度の偏差を求めて、この速度偏差に応じたフィードバック制御を行い、
(ｉｉｉ)  加速時の上記速度偏差に予め制限値を設定し、
(ｉｖ)  加速時に、上記速度偏差が上記制限値を超えないように上記指令速度を制限する
ように構成したことを特徴とする作業機械の旋回制御装置。
【請求項２】
上記制御手段は、上記速度偏差の制限値を、上記旋回電動機に最大トルクを発生させ得る値として設定したことを特徴とする請求項１記載の作業機械の旋回制御装置。
【請求項３】
上記制御手段は、上記旋回電動機の外乱等による速度変動分を加味して上記制限値を設定したことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械の旋回制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機によって旋回体を旋回駆動するショベル等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６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が地面に対して垂直な軸Ｏのまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に作業アタッチメント３が装着されて構成される。
【０００４】
このショベルにおいて、ハイブリッドタイプや電動タイプのものでは、旋回駆動源として電動機を用い、蓄電器や発電電動機で旋回電動機を駆動し、旋回駆動力を発生させる。
【０００５】
この電動旋回式の作業機械において、特許文献１に記載されているように、旋回指令を出す旋回操作手段の操作量(以下、旋回操作手段として操作レバーを用いる場合で説明し、その操作量を「レバー操作量」という)に応じて目標速度と加速度を決め、この加速度に応じて加減速パターンを生成し、このパターンに基づく指令速度と、検出される実速度の偏差に応じて旋回電動機の速度を制御するフィードバック制御を行う技術が公知である。
【０００６】
また、この公知技術では、滑らかな旋回加減速を実現するために、加減速パターンとして、加速時の速度の立ち上がりに一定の勾配を持たせる台形加減速制御(遅れ制御)を行うようにしている。
【０００７】
なお、遅れ制御としてＳ字加減速制御を行う技術も公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２００６／０５４５８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このようなフィードバック制御で、かつ、台形加減速制御のような遅れ制御を行う場合、たとえば作業アタッチメント３の先端を溝の壁面に押し付けて壁面を掘削形成する旋回押し付け作業のように、外力による拘束を受けて旋回の実速度がほぼ０となる作業時に、指令速度と実速度の偏差が大きくなり、これに応じて電動機トルクが最大となる。
【００１０】
このため、上記拘束が無くなると、上部旋回体２が旋回電動機の最大トルクで急旋回しようとする。
【００１１】
この場合、遅れ制御を行わない通常のフィードバック制御では、レバーを中立に戻せば即座に旋回停止させることができるが、特許文献１記載の公知技術のような遅れ制御を加えたフィードバック制御では、停止までの時間遅れが生じ、レバーを中立に戻しているにもかかわらず旋回加速する「旋回飛び出し現象」が起こる。
【００１２】
この点の対策として、加速度を大きく設定することで停止までの遅れを少なくできるが、こうすると通常の旋回時に加速度が過大となってショックが発生する等、操作性が悪くなる弊害が生じる。
【００１３】
そこで本発明は、旋回飛び出し現象を抑制し、しかも通常旋回時には適正な加速性能を確保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】
【００１４】
上記課題を解決する手段として、本発明においては、旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、旋回指令を出す旋回操作手段と、上記旋回電動機の作動を制御する制御手段とを具備し、上記制御手段は、
(ｉ)  上記旋回操作手段の操作量に応じた目標速度と、上記旋回操作手段の操作に対して上記旋回電動機の速度応答に時間遅れが生じるように予め設定された目標加速度とを用いて上記旋回電動機に対する指令速度を設定し、
(ｉｉ)  上記指令速度と、上記旋回電動機の実際の回転速度である実速度の偏差を求めて、この速度偏差に応じたフィードバック制御を行い、
(ｉｉｉ)  加速時の上記速度偏差に予め制限値を設定し、
(ｉｖ)  加速時に、上記速度偏差が上記制限値を超えないように上記指令速度を制限する
ように構成したものである。
【００１５】
この構成によれば、フィードバック制御で、かつ、遅れ制御を行う旋回式作業機械において、指令速度と実速度の偏差の大きさを制限するため、つまり速度偏差が過大とならないため、たとえば旋回押し付け状態からの解放時に、電動機トルクを抑えて「旋回飛び出し現象」を抑制することができる。
【００１６】
この場合、加速度を大きくするのではないため、通常旋回時に加速度が過大となるおそれがない。
【００１７】
また、あくまでも速度偏差を制限するため、制限値を、加速に必要なトルクを確保できる値として設定することにより、通常旋回時の加速性能を確保することができる。
【００１８】
本発明において、上記制御手段は、上記速度偏差の制限値を、上記旋回電動機に最大トルクを発生させ得る値として設定するのが望ましい(請求項２)。
【００１９】
制限値をあまり小さく設定すると、電動機に発生するトルクも小さくなって通常旋回時の加速が悪くなる。この点、請求項２の構成によると、制限値を、旋回電動機が最大トルクを発生し得る値として設定するため、通常旋回時の良好な加速性能を確保することができる。
【００２０】
また本発明においては、上記制御手段は、上記旋回電動機の外乱等による速度変動分を加味して上記制限値を設定するのが望ましい(請求項３)。
【００２１】
この構成によれば、実速度を検出するための速度センサのノイズや外乱の影響によるトルク変動を防止することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、旋回飛び出し現象を抑制し、しかも通常旋回時には適正な加速性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る制御装置のシステム構成図である。
【図２】同制御ブロック図である。
【図３】同装置における旋回の操作量と目標速度の関係を示す図である。
【図４】同、時間と速度及び加速度の関係を示す図である。
【図５】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６】本発明の適用対象例としてのショベルの概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
実施形態は電動式またはハイブリッド式のショベルを適用対象としている。
【００２５】
図１はこの制御装置のシステム構成を示し、旋回操作手段としての操作レバー４の操作量(レバー操作量)が、操作量検出手段５により検出されて、制御手段であるコントローラ６に入力される。
【００２６】
また、旋回電動機７の回転速度を検出する電動機回転速度検出手段８が設けられ、同検出手段７によって検出される旋回電動機７の実速度がコントローラ６に送られる。
【００２７】
コントローラ６には、図３に示すレバー操作量と目標速度の関係を示すマップが予め設定・記憶され、レバー操作量から目標速度が求められる。
【００２８】
また、遅れ制御(ここでは図４に示す台形加減速制御を例にとっている)を行うための目標加速度が予め設定され、目標速度と、検出される実速度と、設定された目標加速度を用いて旋回電動機７に対する指令速度が演算され、旋回インバータ９に送られる。
【００２９】
図２の制御ブロックによって詳述すると、レバー操作量によって目標速度が設定され、この目標速度と目標加速度から指令速度が設定される。
【００３０】
ここで、台形加減速制御での指令速度は次のようにして求められる。
【００３１】
目標速度をＶ０、目標加速度をＡ０、今回制御周期での指令速度をＶｒｅｆ(ｎ)、前回制御周期での指令速度をＶｒｅｆ(ｎ−１)とする。Ｔｓは制御周期である。
【００３２】
・Ｖ０＞Ｖｒｅｆ(ｎ−１)の場合(目標速度が前回指令速度よりも大きい場合)
Ｖｒｅｆ(ｎ)＝Ｖｒｅｆ(ｎ−１)＋Ａ０×Ｔｓ
但し、計算上、Ｖｒｅｆ(ｎ)＞Ｖ０となった場合(指令速度が目標速度を超える場合)はＶｒｅｆ(ｎ)＝Ｖ０とする。
【００３３】
・Ｖ０＜Ｖｒｅｆ(ｎ−１)の場合(目標速度が前回指令速度よりも小さい場合)
Ｖｒｅｆ(ｎ)＝Ｖｒｅｆ(ｎ−１)−Ａ０×Ｔｓ
但し、計算上、Ｖｒｅｆ(ｎ)＜Ｖ０となった場合(指令速度が目標速度未満となった場合)はＶｒｅｆ(ｎ)＝Ｖ０とする。
【００３４】
そして、上記のように求められた指令速度と実速度の偏差(速度偏差)が算出され、この速度偏差に応じた指令トルクが旋回インバータ９に出力される。
【００３５】
ここで、この制御装置においては、許容する速度偏差の上限値としての制限値が予めコントローラ６に設定され、速度偏差がこの制限値を超えないように旋回電動機７に対する指令速度を制限する(制限された指令速度を出力する)ように構成されている。
【００３６】
詳述すると、速度偏差の制限値Δｍａｘは、旋回電動機７の最大トルク(電動機性能、スペックから決まる)Ｔｍｍａｘと、速度制御ゲインＫｖｆｂと、旋回電動機７の外乱等による速度変動分ΔＶｈから、
ΔＶｍａｘ＝Ｔｍｍａｘ÷Ｋｖｆｂ＋ΔＶｈ
によって算出され、これが設定・記憶される。すなわち、制限値ΔＶｍａｘは、基本的に、旋回電動機７が最大トルクを発生し得る値をベースとして設定される。
【００３７】
そして、加速時に、電動機実速度Ｖが正(たとえば左旋回)の場合は、指令速度Ｖｒｅｆが実速度Ｖよりも大きいか否かを判断し、大きければ速度偏差ΔＶを計算する。
【００３８】
次に、この速度偏差ΔＶが制限値Δｍａｘよりも大きいか否かを判断し、大きければ指令速度Ｖｒｅｆを、
Ｖｒｅｆ＝Ｖ＋ΔＶｍａｘ
とする。
【００３９】
一方、電動機実速度Ｖが負(同、右旋回)の場合は、指令速度Ｖｒｅｆが実速度Ｖよりも小さいか否かを判断し、小さければ速度偏差ΔＶを計算し、この速度偏差ΔＶが(−ΔＶｍａｘ)よりも小さい場合は指令速度Ｖｒｅｆを、
Ｖｒｅｆ＝Ｖ−ΔＶｍａｘ
とする。
【００４０】
上記求められた指令速度Ｖｒｅｆの値は、次回制御周期での指令速度算出用に保存される。
【００４１】
さらに、上記指令速度Ｖｒｅｆと実速度とから、電動機トルクＴｍを、
Ｔｍ＝Ｋｖｆｂ×(Ｖｒｅｆ−Ｖ)
によって計算し、これを旋回電動機７に対する指令トルクとして旋回インバータ９に送る。
【００４２】
旋回インバータ９では、電動機トルクが上記指令トルクとなるように旋回電動機７の電圧を制御する。
【００４３】
上記速度偏差制限の内容を図５のフローチャートにより整理して説明すると、ステップＳ１で速度偏差の制限値Δｍａｘが演算され、ステップＳ２でＶ＞０かつＶｒｅｆ＞Ｖか否かが判断される。
【００４４】
ここでＹＥＳの場合は、ステップＳ３で速度偏差ΔＶの計算、ステップＳ４で速度偏差ΔＶと制限値ΔＶｍａｘの比較、ステップＳ５で指令速度Ｖｒｅｆの計算、ステップＳ６で、算出された指令速度Ｖｒｅｆの保存がそれぞれ行われてステップＳ１に戻る。
【００４５】
一方、ステップＳ２でＮＯの場合は、ステップＳ７でＶ＜０かつＶｒｅｆ＜Ｖか否かが判断され、ＹＥＳの場合はステップＳ８で速度偏差ΔＶの計算、ステップＳ９で速度偏差ΔＶと制限値(−ΔＶｍａｘ)の比較、ステップＳ１０で指令速度Ｖｒｅｆの計算がそれぞれ行われた後、ステップＳ６に移行する。
【００４６】
なお、ステップＳ４でＮＯ(速度偏差ΔＶが制限値ΔＶｍａｘ以下)の場合、ステップＳ７でＮＯ(Ｖ０＜０かつＶｒｅｆ＜Ｖでない)の場合、ステップＳ９でＮＯ(速度偏差ΔＶが制限値−ΔＶｍａｘ未満の場合)は、いずれも速度制限を行わず、速度偏差ΔＶに基づく指令速度Ｖｒｅｆをそのまま使用するとして直接ステップＳ６に移行する。
【００４７】
このように、フィードバック制御で、かつ、遅れ制御を行うショベルにおいて、指令速度と実速度の速度偏差を制限するため、つまり速度偏差が過大とならないため、たとえば旋回押し付け状態からの解放時に、電動機トルクを抑えて「旋回飛び出し現象」を抑制することができる。
【００４８】
この場合、加速度を大きくするのではないため、通常旋回時に加速度が過大となるおそれがない。
【００４９】
また、あくまでも速度偏差を制限するため、制限値を、加速に必要なトルクを確保できる値として設定することにより、通常旋回時の加速性能を確保することができる。
【００５０】
加えて、実施形態では、速度偏差の制限値を、旋回電動機が最大トルクを発生し得る値として設定するため、制限値を過小に設定した場合のように電動機トルクが小さくなって通常旋回時の加速が悪くなるおそれがなく、通常旋回時の良好な加速性能を確保することができる。
【００５１】
また、制限値を、旋回電動機７の外乱等による速度変動分を加味して設定するため、実速度を検出するための速度センサのノイズや外乱の影響によるトルク変動を防止することができる。
【００５２】
ところで、上記実施形態では遅れ制御として台形加減速制御をとる場合を例にとったが、本発明はＳ字加減速制御をとる場合にも上記実施形態と同様に適用することができる。
【００５３】
また本発明は、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、旋回式の作業機械に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
２  上部旋回体
４  操作レバー(旋回操作手段)
５  操作量検出手段
６  コントローラ(制御手段)
７  旋回電動機
８  電動機回転速度検出手段
９  制御手段を構成する旋回インバータ
【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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