(57)【要約】【課題】作業機械の旋回制御装置に関し、簡素な構成で、旋回角度を正確に把握して旋回範囲を適切に制限し、旋回動作に対する追従性を向上させる。【解決手段】上部旋回体の旋回速度を設定する旋回操作レバー１と、固定子４ｂに対し回転子４ａを回転させて該上部旋回体を旋回駆動する電動モータ４と、回転子４ａの角速度をモータ角速度として検出する角速度検出手段５と、該モータ角速度が旋回操作レバー１で設定された該旋回速度に対応する大きさとなるように、電動モータ４の回転速度を制御する電動モータ制御手段１３と、該モータ角速度の時間積分値に基づき該上部旋回体の旋回角度を算出する旋回角度算出手段１５と、該上部旋回体の旋回範囲を設定する旋回範囲設定手段１６と、該旋回角度が該旋回範囲を超えないように電動モータ４の作動を停止させる停止制御手段１７と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機械の下部走行体に対する上部旋回体の旋回速度を設定する旋回操作レバーと、
固定子及び回転子を有し、該固定子に対して該回転子を回転させることで該下部走行体に対して該上部旋回体を旋回駆動する電動モータと、
該電動モータに内蔵され、該固定子に対する該回転子の角速度をモータ角速度として検出する角速度検出手段と、
該角速度検出手段で検出された該モータ角速度が該旋回操作レバーで設定された該旋回速度に対応する大きさとなるように、該電動モータの回転速度を制御する電動モータ制御手段と、
該角速度検出手段で検出された該モータ角速度の時間積分値に基づき、該下部走行体に対する該上部旋回体の旋回角度を算出する旋回角度算出手段と、
該上部旋回体の該下部走行体に対する旋回範囲を設定する旋回範囲設定手段と、
該電動モータ制御手段による該電動モータの制御下において、該旋回角度が該旋回範囲設定手段で設定された該旋回範囲を超えないように該電動モータの作動を停止させる停止制御手段と、
を備えたことを特徴とする、作業機械の旋回制御装置。
【請求項２】
該角速度検出手段が、
第一コイルを内蔵し、該電動モータの回転子と連動して回転するロータ部と、
第二コイルを内蔵し、該ロータ部から離隔して配置されるとともに該固定子に対して固定されたステータ部と、を有するレゾルバとして構成されている
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】
該旋回範囲設定手段が、該旋回範囲の境界値及び該旋回範囲の該境界値からの方向を設定し、
該停止制御手段が、該旋回角度算出手段で算出された該旋回角度が該境界値に一致する位置で、該電動モータの作動を停止させる
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の作業機械の旋回制御装置。
【請求項４】
該旋回範囲設定手段が、該旋回範囲の最大値及び最小値を設定し、
該停止制御手段が、該旋回角度算出手段で算出された該旋回角度が該最大値又は該最小値に一致する位置で、該電動モータの作動を停止させる
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に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、作業機械の旋回動作を制御する旋回制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧クレーン車両や油圧ショベルをはじめとする作業機械は、走行装置を装備した下部走行体とその上部に旋回装置を介して設けられる上部旋回体とから構成されている。上部旋回体には作業機械の駆動源であるエンジン，エンジン駆動の油圧ポンプ，油圧ポンプから供給される作動油で駆動される油圧装置等が搭載されている。この油圧装置としては、走行装置，旋回装置，フロント作業機等が挙げられる。
【０００３】
従来このような作業機械において、上部旋回体の下部走行体に対する旋回角度を所定の範囲に制限することによって作業性を向上させる技術が開発されている。例えば、特許文献１には、旋回角度センサを用いて旋回体（油圧バックホウ船）の旋回角度を検出し、旋回体が旋回停止目標角度まで旋回した場合に旋回を停止させる構成が開示されている。この技術では、例えば旋回範囲が一定である作業時に、運転手の手動操作を要することなく旋回体を正確に旋回停止目標角度で停止させることができ、作業能率を向上させることができるとされている。
【０００４】
また、上部旋回体の旋回角度や旋回速度を検出することによって、機体の姿勢を把握する技術が開発されている。例えば、特許文献２には、上部旋回体にジャイロ（ジャイロスコープ）を設けてヨウ方向（ヨー方向，旋回方向）の角速度を検出し、この計測値に基づき上部旋回体の下部走行体に対する旋回角度を算出する構成が開示されている。
この技術では、旋回パイロット圧が閾値以上である場合にのみ、上記の旋回角度を算出することにより、走行動作によって生じる加速度の影響を排して正確に旋回角度を計測することができるとされている。したがって、ここで計測された旋回角度を用いれば、機体の旋回姿勢や旋回装置の可動範囲に制限を加えるような特許文献１に記載の制御をより的確に実施することができると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６４−９０３２７号公報
【特許文献２】特開２００５−６１０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載の技術で得られた旋回角度を用いて旋回装置を実際に制御しようとしても、機体全体の慣性力（慣性モーメント）によって目標制御位置にばらつきが生じ、正確な制御が実施できない。特にジャイロスコープを用いた場合には、機体振動によって生じる加速度が、機体の旋回動作に係る加速度にノイズとして混入するため、正確な旋回角度の把握が難しいという実情がある。
【０００７】
また、特許文献１に記載されたように、旋回モータが油圧モータである場合には、制御システムに応答遅れが生じてしまう。すなわち、ジャイロスコープ等で検出された情報に基づいて目標旋回位置が設定されてから、油圧モータへ供給される作動油流量を制御するための電磁弁の開度が制御されて旋回角度が変更されるまでの間に、油圧系の応答遅れ時間が含まれるため、実際の旋回動作に対する追従性を向上させにくいという課題がある。
【０００８】
さらに、ジャイロスコープを用いて旋回角度を正確に把握しようとすると、センシング精度の高いものを作業機械に搭載する必要があり、コストが高騰するという課題がある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、簡素な構成で、上部旋回体の下部走行体に対する旋回角度を正確に把握して旋回範囲を適切に制限することができ、旋回操作に対する旋回動作の追従性を向上させることができるようにした、作業機械の旋回制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明の作業機械の旋回制御装置は、作業機械の下部走行体に対する上部旋回体の旋回速度を設定する旋回操作レバーと、固定子及び回転子を有し、該固定子に対して該回転子を回転させることで該下部走行体に対して該上部旋回体を旋回駆動する電動モータと、該電動モータに内蔵され、該固定子に対する該回転子の角速度をモータ角速度として検出する角速度検出手段と、該角速度検出手段で検出された該モータ角速度が該旋回操作レバーで設定された該旋回速度に対応する大きさとなるように、該電動モータの回転速度を制御する電動モータ制御手段と、該角速度検出手段で検出された該モータ角速度の時間積分値に基づき、該下部走行体に対する該上部旋回体の旋回角度を算出する旋回角度算出手段と、該上部旋回体の該下部走行体に対する旋回範囲を設定する旋回範囲設定手段と、該電動モータ制御手段による該電動モータの制御下において、該旋回角度が該旋回範囲設定手段で設定された該旋回範囲を超えないように該電動モータの作動を停止させる停止制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１０】
つまり本発明では、上部旋回体の下部走行体に対する旋回角度を把握するのに際し、上部旋回体の姿勢や運動状態を計測するのではなく、電動モータの固定子に対する回転子のモータ角速度を計測し、これの時間積分値に基づく演算を実施する。
また、請求項２記載の本発明の作業機械の旋回制御装置は、請求項１記載の構成に加え、該角速度検出手段が、第一コイルを内蔵し、該電動モータの回転子と連動して回転するロータ部と、第二コイルを内蔵し、該ロータ部から離隔して配置されるとともに該固定子に対して固定されたステータ部と、を有するレゾルバとして構成されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項３記載の本発明の作業機械の旋回制御装置は、請求項１又は２記載の構成に加え、該旋回範囲設定手段が、該旋回範囲の境界値及び該旋回範囲の該境界値からの方向を設定し、該停止制御手段が、該旋回角度算出手段で算出された該旋回角度が該境界値に一致する位置で、該電動モータの作動を停止させることを特徴としている。
また、請求項４記載の本発明の作業機械の旋回制御装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載の構成に加え、該旋回範囲設定手段が、該旋回範囲の最大値及び最小値を設定し、該停止制御手段が、該旋回角度算出手段で算出された該旋回角度が該最大値又は該最小値に一致する位置で、該電動モータの作動を停止させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の作業機の作業機械の旋回制御装置（請求項１）によれば、旋回用の電動モータを備えた作業機械において、電動モータの通常の駆動制御に用いられるモータ角速度の情報を利用して、旋回角度を容易に把握することができる。また、機体振動によるノイズが旋回角度の演算に混入することがなく、正確に旋回角度を算出することができる。加えて、電動モータに内蔵された角速度検出手段の検出情報に基づいて旋回動作が制御されるため、制御の応答遅れを排除することができ、オペレータの操作感を向上させることができる。さらに、装置構成が簡素であり、コストを低減させることができる。
【００１３】
また、本発明の作業機械の旋回制御装置（請求項２）によれば、ロータ部及びステータ部間の電磁誘導を利用することにより、簡素な構成で正確にモータ角速度を検出することができる。また、例えばロータリーエンコーダやジャイロセンサと比較して耐環境性に優れており、制御の信頼性を高めることができる。
また、本発明の作業機械の旋回制御装置（請求項３）によれば、旋回範囲の設定が容易であり、単純な操作で旋回範囲を定めることができる。なお、旋回範囲内における境界値以外の任意の角度がわかれば、旋回範囲の境界値からの方向が定まるため、少なくとも二つ以上の角度が入力されれば、旋回範囲を設定することが可能である。
【００１４】
また、本発明の作業機械の旋回制御装置（請求項４）によれば、旋回範囲のしきい値を定めることができ、旋回範囲を正確に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る作業機械の旋回制御装置が適用された油圧ショベルを示す模式的な斜視図である。
【図２】本旋回制御装置に係る旋回装置の模式的な縦断面図である。
【図３】本旋回制御装置に係るレゾルバの構成を説明するための模式図である。
【図４】本旋回制御装置に係るコントローラの制御ブロック図である。
【図５】本旋回制御装置を搭載した油圧ショベルの作業半径の算出方法を説明するための側面図であり、（ａ）はスティックを伸ばした状態、（ｂ）はスティックを縮めた状態を示す。
【図６】本旋回制御装置を搭載した油圧ショベルの旋回状態を示す上面図であり、（ａ）はスティックを伸ばした状態、（ｂ）はスティックを縮めた状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
［１．油圧ショベルの構成］
本発明は、図１に示す油圧ショベル２０に適用されている。この油圧ショベル２０は、クローラ式の走行装置を装備した下部走行体２１と、下部走行体２１に搭載された上部旋回体２２とを備えて構成される。上部旋回体２２は、旋回装置２３を介して下部走行体２１の上に水平方向に旋回自在に設置されている。
【００１７】
旋回装置２３は、電動駆動のＰＭモータ４〔電動モータ，永久磁石形（ＰＭ，Permanent Magnet）電動機〕と、軸受として機能するボールレース６とを備えて構成される。ＰＭモータ４は、電力の供給を受けて回転する動力装置である。
上部旋回体２２の車両前方側には、オペレータ（操作者）が搭乗するキャブ２５と、これに隣接して車両前方へ延出するように設けられたフロント作業装置３０（フロント作業機）とが設けられている。また、上部旋回体２２の最後端部には機体の重量バランスを保つためのカウンタウェイト２４が配設されている。
【００１８】
フロント作業装置３０は、各々が独立して作動するブーム３１，スティック３２及びバケット３３の三部材から構成されている。ブーム３１は、上部旋回体２２に対して起伏方向（機体の前後方向）に揺動自在に支持されている。また、スティック３２はブーム３１の先端に対して機体の前後方向に揺動自在に支持されており、バケット３３はスティック３２の先端に対して前後方向に揺動自在に支持されている。これらのブーム３１，スティック３２及びバケット３３のそれぞれには油圧シリンダが設けられ、各油圧シリンダの伸縮動作に応じて揺動する。
【００１９】
ブーム３１の基端部には、上部旋回体２２に対するブーム３１の回動角（上部旋回体２２に対する回動角度）を検出するブーム角度センサ２ａが設けられている。また、スティック３２の基端部には、ブーム３１に対するスティック３２の回動角を検出するスティック角度センサ２ｂが設けられ、バケット３３の基端部には、スティック３２に対するバケット３３の回動角を検出するバケット角度センサ２ｃが設けられている。以下、これらの角度センサ２ａ〜２ｃを総称して、単に角度センサ２（フロント位置センサ）と呼ぶ。角度センサ２で検出されたブーム３１，スティック３２及びバケット３３の回動角は、後述するコントローラ１０に入力されている。
【００２０】
カウンタウェイト２４の直前方には、エンジンルーム２８とこれに隣接する油圧ポンプルーム２７とが配置されている。エンジンルーム２８内には油圧ショベル２０の駆動源であるエンジン８が設置され、油圧ポンプルーム２７内にはエンジン８によって駆動される油圧ポンプ（図示省略）や、ＰＭモータ４の電力供給源であるバッテリ７，ＰＭモータ４の回転速度や回転トルクを制御するためのコントローラ１０が設置されている。
【００２１】
このように、油圧ショベル２０は、エンジン８の動力によって油圧ポンプを駆動するとともにバッテリ７を充電し、そのバッテリ７の電力でエンジン８の回転を適宜アシストするハイブリッド油圧ショベルである。また、油圧ショベル２０の旋回装置２３は、油圧ポンプから供給される作動油によって上部旋回体２２を旋回駆動するものではなく、電力によってＰＭモータ４を回転させて上部旋回体２２を旋回駆動するものである。本旋回制御装置は、このような油圧ショベル２０の旋回装置２３の挙動を制御する。
【００２２】
油圧ショベル２０のキャブ２５内には、オペレータ操作により旋回装置２３による旋回方向及び旋回速度を入力するための旋回操作レバー１と、同じくオペレータ操作により旋回範囲を入力するためのモニタコンソール３（旋回範囲設定手段）が設けられている。旋回操作レバー１及びモニタコンソール３から入力された各情報は、コントローラ１０に伝達される。
【００２３】
コントローラ１０は、モニタコンソール３で設定された旋回範囲内でのみ、旋回操作レバー１の操作に応じて上部旋回体２２を旋回駆動する制御を実施するものである。すなわち、設定された旋回範囲を超えて旋回しようとするレバー操作が入力されたとしても、上部旋回体２２をそれ以上旋回させない。コントローラ１０による具体的な制御内容については後述する。
【００２４】
［２．旋回装置２３の構造］
ＰＭモータ４は、下部走行体２１及び上部旋回体２２間に介装されたボールレース６に隣接する位置で上部旋回体２２に固定されている。図２に示すように、ボールレース６は、リング状に形成された内輪６ａと、内輪６ａの外周面に沿って滑動自在に設けられた外輪６ｂとを備えて構成される。また、ＰＭモータ４は、ハウジング４８の内部に出力軸４３，モータ部４１，レゾルバ５（角速度検出手段）及び減速機構４２を備えて構成される。
【００２５】
［２−１．出力軸］
出力軸４３は、ハウジング４８に対し、転がり軸受４６，４７を介して軸回転自在に支持されている。出力軸４３の上下端部のそれぞれには、歯車４４，４５が形成されている。出力軸４３の上端部（ハウジング４８の内部側）の歯車４４は減速機構４２に接続されており、下端部（ハウジング４８の外部側）の歯車４５はボールレース６の内輪の内周面に形成された歯車に対して歯合している。
【００２６】
ボールレース６の内輪６ａは、油圧ショベル２０の下部走行体２１に対して固定されている。一方、外輪６ｂは上部旋回体２２に固定されている。このような構造により、歯車４５が回転すると、ボールレース６の外輪６ｂと内輪６ａとの間に相対回転が生じ、上部旋回体２２が下部走行体２１に対して旋回する。
【００２７】
［２−２．モータ部］
モータ部４１は、バッテリ７から電力の供給を受けて回転する電動機として機能するものである。このモータ部４１には、回転子４ａ及び固定子４ｂが設けられている。固定子４ｂはハウジング４８に固定された中空円筒状の部位であり、その内表面４ｃに巻線が露出するように内蔵されている。固定子４ｂの筒軸を図２中にＣ1で示す。巻線は固定子４ｂの内表面４ｃの全周を囲むように配置されている。
【００２８】
一方、回転子４ａは固定子４ｂの中空円筒の内部に遊挿された円筒状の部位であり、その内部に永久磁石が内蔵されている。永久磁石は固定子４ｂの内表面４ｃに対して垂直方向に磁界を形成する向きで、回転子４ａの外表面４ｄの全周に臨むように配置されている。回転子４ａの筒軸も固定子４ｂと同一の軸Ｃ1である。なお、永久磁石は軸Ｃ1に垂直な面内において突極性を持つように配置されている。また、回転子４ａの外表面４ｄには歯車が形成されている。
【００２９】
ＰＭモータ４は、固定子４ｂの内表面４ｃにおける各巻線の電圧分布を制御する（例えば、三相交流電流をそれぞれの巻線に通電する）ことで、固定子４ｂの内表面４ｃの内側において、筒軸Ｃ1に対する垂直面内で回転する磁界を形成する。したがって、回転子４ａに内蔵された永久磁石による磁束との相互作用により、回転子４ａが磁界の回転速度に同期して回転する。なお、本実施形態のＰＭモータ４は、回転子４ａの回転速度が、後述するコントローラ１０から指令される制御目標回転速度ＶCと等しくなるように、各巻線の電圧分布が制御されている。
【００３０】
一般に、ＰＭモータ４では回転子４ａの回転によって電気損失が生じないため、良好なモータ回転効率が得られる。また、ＰＭモータ４では、回転子４ａの永久磁石による磁界と固定子４ｂの巻線による回転磁界との間に作用する磁石トルクに加えて、回転子４ａの突極性に起因するリラクタンストルクが発生するため、誘導モータと比較して大きなトルクが得られる。
【００３１】
［２−３．レゾルバ］
レゾルバ５は、モータ部４１の下方に配置されたセンサであり、回転子４ａの角速度（固定子４ｂに対する角速度）を検出するものである。このレゾルバ５は、ロータ部５ａ及びステータ部５ｂを備えて構成される。
ロータ部５ａは、ＰＭモータ４の回転子４ａに連結された部位であり、回転子４ａとともに軸Ｃ1を中心として回転する。図３に模式的に示すように、その内部には閉回路をなす二つの巻線が内蔵されている。以下、これらの巻線のことを第一巻線５ｃ及び第二巻線５ｄと呼ぶ。第一巻線５ｃは、軸Ｃ1に対して垂直に延在しており、その延在方向が軸Ｃ1を中心として（すなわち、回転子４ａの回転角に応じて）回転する。
【００３２】
一方、ステータ部５ｂはハウジング４８に固定された部位である。ステータ部５ｂの内部には、図３に示すように、第一巻線５ｃと対向する位置に第三巻線５ｅ及び第四巻線５ｆが配置されている。第三巻線５ｅ及び第四巻線５ｆは、第一巻線５ｃの回転面に平行な面内で互いに直交して延在している。また、ステータ部５ｂの内部において、ロータ部５ａの第二巻線５ｄと対向する位置には検出巻線５ｇが設けられている。
【００３３】
レゾルバ５は、第三巻線５ｅ及び第四巻線５ｆのそれぞれにsinθ，cosθの電圧を印加し、第一巻線５ｃ及び第二巻線５ｄを介して検出巻線５ｇに誘起される電圧の変動を計測することにより、第三巻線５ｅ及び第四巻線５ｆに対する第一巻線５ｃの回転角速度、すなわち、ロータ部５ａの角速度であって回転子４ａの角速度を検出する。ここで検出された角速度は、後述するコントローラ１０へ入力される。なお、本実施形態では、角速度の検出単位がラジアン毎秒 [rad/s]である。以下、レゾルバ５で検出された回転子４ａの角速度のことを回転速度Ｖradと呼ぶ。
【００３４】
［２−４．減速機構］
また、図２に示すように、減速機構４２は回転子４ａの外表面４ｄに形成された歯車に歯合する歯車を含む複数のギヤからなる動力伝達機構であり、モータ部４１から入力される回転数を減少させつつ回転トルクを増大させて、出力軸４３の上端部に形成された歯車４４に伝達する機能を有する。図２では、回転子４ａに対する歯車４４の減速比が大きくなるようにそれぞれの歯車の大きさが設定されたものを例示している。なお、このような構成の代わりに、回転子４ａと歯車４４との間に遊星歯車減速機構を介装させてもよい。
【００３５】
［３．コントローラ１０の構成］
［３−１．概要］
コントローラ１０は、マイクロコンピュータで構成された電子制御装置であり、周知のマイクロプロセッサやＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスとして提供されている。コントローラ１０の入力側には、旋回操作レバー１，角度センサ２及びモニタコンソール３が接続され、出力側にはＰＭモータ４が接続されている。このコントローラ１０は、旋回操作レバー１からの入力情報，角度センサ２で検出された回動角及びモニタコンソール３からの入力情報に基づき、ＰＭモータ４の回転速度を制御するものであり、以下に示す二種類の制御を実施する。
【００３６】
［制御１］ＰＭモータ４の回転速度のフィードバック制御
［制御２］上部旋回体２２の旋回動作の停止制御
上記の制御１は、モニタコンソール３で予め設定された旋回範囲内における通常の旋回動作を制御するものである。本実施形態では、旋回操作レバー１の操作量Ｌに応じた目標旋回速度を設定し、実際の上部旋回体２２の旋回速度が目標旋回速度に等しくなるように、ＰＭモータ４の回転速度がフィードバック制御される。
【００３７】
一方、上記の制御２は、予め設定された旋回範囲を超えて上部旋回体２２が旋回しようとした場合に実施される制御である。本実施形態では、ＰＭモータ４の角速度に基づいて上部旋回体２２の旋回角度が把握され、予め設定された旋回範囲を超えて上部旋回体２２が旋回しようとしたときに、旋回操作レバー１の操作量に関わらず旋回動作を停止させる制御が実施される。
【００３８】
コントローラ１０には、上記の制御１，２を実施するための目標旋回速度設定部１１，リミッタ１２，速度制御部１３（電動モータ制御手段），モータ実速度変換部１４，旋回角度算出部１５（旋回角度算出手段），旋回範囲設定部１６及び停止制御部１７（停止制御手段）が備えられている。
【００３９】
［３−２．詳細構成］
目標旋回速度設定部１１は、旋回操作レバー１へ入力された操作量Ｌに応じて目標旋回速度を設定するものである。ここでは、操作量Ｌが大きいほど目標旋回速度Ｖ0が大きく設定される。なお、旋回方向は旋回操作レバー１の操作方向に依存する。例えば、右旋回方向を正，左旋回方向を負として、目標旋回速度Ｖ0が旋回速度及びその方向を表すものとする。本実施形態におけるこの目標旋回速度Ｖ0の単位は回転毎秒[rpm]である。
【００４０】
リミッタ１２は二種類の機能を有する。第一に、目標旋回速度設定部１１で設定された目標旋回速度Ｖ0の上限値Ｖ0max及び下限値Ｖ0minを規定する機能である。ここでは例えば、右旋回方向への旋回速度の最大値が上限値Ｖ0maxとして定められ、左旋回方向への旋回速度の最大値が下限値Ｖminとして定められている。
図４に示すように、リミッタ１２から出力される制御目標旋回速度をＶ1とおく。目標旋回速度Ｖ0が下限値Ｖ0minから上限値Ｖ0maxまでの範囲内にある場合（Ｖ0min＜Ｖ0＜Ｖ0max）には、その値を制御目標旋回速度Ｖ1として（つまり、Ｖ1＝Ｖ0として）速度制御部１３に出力する。一方、目標旋回速度Ｖ0が下限値Ｖ0min以下又は上限値Ｖ0max以上である場合には、下限値Ｖ0min又は上限値Ｖ0maxを制御目標旋回速度Ｖ1として（つまり、Ｖ1＝Ｖ0minまたはＶ1＝Ｖ0maxとして）速度制御部１３に出力する。
【００４１】
第二の機能は、後述する停止制御部１７からの制御信号により、制御目標旋回速度Ｖ1をゼロ（Ｖ1＝０）にして速度制御部１３に出力するものである。つまり停止制御部１７は、目標旋回速度Ｖ0の値に関わらず、ＰＭモータ４を停止させる機能を有する。
速度制御部１３（電動モータ制御手段）は、入力される制御目標旋回速度Ｖ1で上部旋回体２２が旋回するようにＰＭモータ４の回転速度をフィードバック制御するものであり、モータ目標回転速度設定部１３ａ，減算部１３ｂ，比例演算部１３ｃ，積分演算部１３ｄ，加算部１３ｅ及び出力制限部１３ｆを備えて構成される。
【００４２】
モータ目標回転速度設定部１３ａは、予め設定された回転子４ａの回転速度と上部旋回体２２の回転速度との比率に基づき、上部旋回体２２を制御目標旋回速度Ｖ1で旋回させるのに必要な回転子４ａの回転速度の目標値ＶTを算出して設定するものである。本実施形態におけるこの目標値ＶTの単位は回転毎秒[rpm]である。
減算部１３ｂは、モータ目標回転速度設定部１３ａから入力される回転子４ａの回転速度の目標値ＶTと、後述する回転子４ａの実回転速度ＶRとの差分ｅ（ｅ＝ＶT−ＶR）を算出するものである。算出された差分ｅは比例演算部１３ｃ及び積分演算部１３ｄに伝達される。
【００４３】
比例演算部１３ｃは、差分ｅに比例ゲインＫPを乗算した比例制御量を出力するものである。差分ｅが大きいほど比例制御量も大きくなる。また、積分演算部１３ｄは、差分ｅの時間積分値に積分ゲイン（１／ＴI）及び比例ゲインＫPを乗算した積分制御量を出力するものである。差分ｅの積算値が大きくなるほど積分制御量も大きくなる。なお、ＴIは差分ｅが一定であると仮定したときに積分制御量が比例制御量と同一の値になるまでの時間（積分時間）である。
【００４４】
加算部１３ｅは、比例演算部１３ｃ及び積分演算部１３ｄから出力される比例制御量及び積分制御量を加算した目標回転速度Ｖ2を出力制限部１３ｆに出力するものである。また、出力制限部１３ｆは、加算部１３ｅで算出された目標回転速度Ｖ2の上限値Ｖ2max及び下限値Ｖ2minを規定するリミッタとして機能する。
図４に示すように、出力制限部１３ｆから出力される制御目標回転速度をＶCとおく。目標回転速度Ｖ2が下限値Ｖ2minから上限値Ｖ2maxまでの範囲内にある場合（Ｖ2min＜Ｖ2＜Ｖ2max）には、その値を制御目標回転速度ＶCとして（つまり、ＶC＝Ｖ2として）ＰＭモータ４に出力する。一方、目標回転速度Ｖ2が下限値Ｖ2min以下又は上限値Ｖ2max以上である場合には、下限値Ｖ2min又は上限値Ｖ2maxを制御目標回転速度ＶCとして（つまり、ＶC＝Ｖ2minまたはＶC＝Ｖ2maxとして）ＰＭモータ４に出力する。したがって、ＰＭモータ４では、回転子４ａが制御目標回転速度ＶCで回転するように各巻線の電圧が制御されることになる。
【００４５】
一方、回転子４ａの回転速度Ｖradは、ＰＭモータ４に内蔵されたレゾルバ５によって検出され、コントローラ１０内のモータ実速度変換部１４へ伝達される。モータ実速度変換部１４は、回転速度Ｖradの単位変換を行うものであり、変換係数（６０／２π）を回転速度Ｖradに乗算した値を実回転速度ＶRとして算出する。ここで算出された実回転速度ＶRは、減算部１３ｂにフィードバックされ、差分ｅの算出に用いられる。また、図４に示すように、実回転速度ＶRは旋回角度算出部１５にも伝達される。
【００４６】
旋回角度算出部１５（旋回角度算出手段）は、モータ実速度変換部１４から入力された実回転速度ＶRの時間積分値を演算することにより、下部走行体２１に対する上部旋回体２２の旋回角度θを算出するものである。例えば、下部走行体２１の正面方向を基準（すなわち、０[rad]）として、右旋回方向を正，左旋回方向を負とした旋回角度θが算出される。
【００４７】
旋回範囲設定部１６は、モニタコンソール３からの入力情報に基づき、上部旋回体２２の下部走行体２１に対する旋回範囲を設定するものである。例えば、上記の旋回方向θと同一の極座標を用いて、左旋回方向の閾値を最小値θminとして設定し、右旋回方向の閾値を最大値θmaxとして設定する。これらの値は随時、オペレータによって任意に設定される。
【００４８】
停止制御部１７（停止制御手段）は、旋回角度算出部１５で算出された旋回角度θと、旋回範囲設定部１６で設定された旋回範囲（θmin〜θmax）と、角度センサ２で検出されたブーム３１，スティック３２及びバケット３３の回動角に基づき、ＰＭモータ４の作動を停止させる制御信号を出力するものである。
まず、停止制御部１７は、角度センサ２で検出された各回動角に基づき、油圧ショベル２０の最大水平距離ＲAを算出する。この最大水平距離ＲAとは、油圧ショベル２０の旋回中心軸から最も遠い位置までの水平距離であり、フロント作業装置３０の姿勢に応じて変化する値である。
【００４９】
例えば、図５（ａ）に示すように、スティック３２を伸ばしつつバケット３３を機体手前側に閉じた姿勢では、スティック３２の先端が旋回中心軸から最も遠い位置となる。一方、図５（ｂ）に示すように、スティック３２を機体手前側に曲げた状態では、スティック３２の基端側が旋回中心軸から最も遠い位置となる。停止制御部１７はこのような姿勢の違いを考慮しながら最大水平距離ＲAを算出する。
【００５０】
また、停止制御部１７は、旋回角度θが最小値θmin以下になった場合、又は、最大値θmax以上となった場合に、リミッタ１２に制御信号を出力してＰＭモータ４を停止させる制御を実施する。つまり、停止制御部１７は、速度制御部１３によるＰＭモータ４の制御下において、旋回角度θが旋回範囲を超えないようにＰＭモータ４の作動を停止させるように機能する。
【００５１】
ただし、最大水平距離ＲAが所定水平距離Ｒ0以下である場合には、ＰＭモータ４の動作を停止させる制御を実施しない。本実施形態では、油圧ショベル２０の最小旋回半径が所定推定距離Ｒ0に設定されており、すなわち上面視においてフロント作業装置３０が最も縮んだ状態では、旋回範囲が制限されないようになっている。
したがって、上部旋回体２２の旋回動作が許容されるのは、以下に列挙する条件の何れか一つが成立した場合である。
［条件１］ＲA≦Ｒ0である。
［条件２］ＲA＞Ｒ0であり、かつ、θmin＜θ＜θmaxである。
【００５２】
［４．作用，効果］
図６中に斜線で示すエリアは、建築物の壁面や一般車道等、油圧ショベル２０の接触や侵入が禁止された制限領域であるものとする。油圧ショベル２０のオペレータによりモニタコンソール３から旋回範囲が入力されると、コントローラ１０の旋回範囲設定部１６では、下部走行体２１の正面方向である矢印Ａ方向を基準とした旋回角度θの最小値θmin及び最大値θmaxが設定される。これらの最小値θmin及び最大値θmaxは、バケット３３の先端が制限領域の境界に接触する角度であるとする。なお、フロント作業装置３０が機体前方に伸びた姿勢であり、油圧ショベル２０の最大水平距離ＲAは所定水平距離Ｒ0よりも大きい状態であるとする。このときの油圧ショベル２０の旋回領域を、図６（ａ）中に一点鎖線で示す。
【００５３】
油圧ショベル２０が図６（ａ）に破線で示される姿勢にあるときに旋回操作レバー１が操作されると、コントローラ１０の目標旋回速度設定部１１では操作量Ｌに応じて目標旋回速度Ｖ0が設定され、その絶対値の上限がリミッタ１２で制限されて、制御目標旋回速度Ｖ1が速度制御部１３に入力される。
速度制御部１３では、上部旋回体２２を制御目標旋回速度Ｖ1で旋回させるのに必要な回転子４ａの回転速度の目標値ＶTが算出され、回転子４ａが目標値ＶTで回転するようにＰＩ制御が実施される。すなわち、比例演算部１３ｃ及び積分演算部１３ｄにおいて、実際の回転子４ａの実回転速度ＶRと目標値ＶTとの差分ｅに比例した比例制御量と、差分ｅの時間積分値に比例した積分制御量とが演算され、加算部１３ｅにおいてこれらの和が目標回転速度Ｖ2として算出される。さらに、出力制限部１３ｆにおいて目標回転速度Ｖ2の上限値Ｖ2max及び下限値Ｖ2minが制限され、制御目標回転速度ＶCが出力される。
【００５４】
なお、上部旋回体２２の慣性モーメントは非常に大きく、ＰＭモータ４に対する負荷トルクとして作用する。ＰＭモータ４に内蔵されたレゾルバ５で検出される回転速度Ｖradはモータ実速度変換部１４で単位変換されて実回転速度ＶRが算出され、再び速度制御部１３の減算部１３ｂにフィードバック入力される。
これらの一連のフィードバック制御により、上部旋回体２２の旋回速度は旋回操作レバー１の操作量Ｌに応じた速度に素早く漸近し、上部旋回体２２は遅滞なくスムーズに旋回する。また、停止制御部１７では上部旋回体２２の旋回角度θと最大値θmax及び最小値θminとが比較されるが、図６（ａ）中に破線で示す機体姿勢ではθmin＜θ＜θmaxであって条件２が成立するため、ＰＭモータ４の作動が継続する。
【００５５】
このように、ＰＭモータ４の速度を適切にフィードバック制御することができ、旋回操作レバー１の操作量Ｌに応じた速度で上部旋回体２２を旋回させることができる。また、レバー操作に対する旋回の応答性を向上させることができ、良好な操作フィーリングを提供することができる。
また、モータ実速度変換部１４で算出された実回転速度ＶRは、ＰＭモータ４の速度制御だけでなく、上部旋回体２２の旋回角度制御にも転用される。すなわち、旋回角度算出部１５では実回転速度ＶRの時間積分値が演算され、下部走行体２１に対する上部旋回体２２の旋回角度θが算出される。
【００５６】
このように、ＰＭモータ４の通常の駆動制御に用いられる回転子４ａの実回転速度ＶRの情報を利用して、上部旋回体２２の旋回角度θを容易に把握することができる。また、機体振動によるノイズが旋回角度θの演算に混入することがなく、正確に旋回角度θを把握することができる。したがって、制御自体の信頼性を向上させることができる。
さらに、上部旋回体２２が左方向に旋回し、図６（ａ）に実線で示す姿勢となった場合、θ＝θminとなり、停止制御部１７からリミッタ１２に制御信号が出力され、リミッタ１２から出力される制御目標旋回速度Ｖ1がＶ1＝０に変更される。これにより、速度制御部１３は回転子４ａの実回転速度ＶRをＶR＝０にする（すなわち、ＰＭモータ４を停止させる）ためのフィードバック制御が実施され、ＰＭモータ４が停止する。
【００５７】
このように、正確に把握された旋回角度θに基づき、上部旋回体２２の旋回動作を制限することができ、制限領域への侵入を確実に防止することができる。また、ＰＭモータ４に内蔵されたレゾルバ５の検出情報に基づく制御であるため、応答遅れを排除することができる。
したがって、本旋回制御装置によれば、簡素な構成で、上部旋回体２２の旋回角度θを正確に把握して旋回範囲を適切に制限することができ、旋回操作に対する旋回動作の追従性を高めて操作性を向上させることが可能であり、バケット３３やスティック３２の制限領域との干渉を確実に防止することができる。
【００５８】
さらに、例えば旋回範囲を制限する制御を実施しない従来の油圧ショベルに対して本旋回制御装置の制御を適用する場合には、コントローラ１０の内部に記録されるソフトウェアの変更のみで対応することができ、コストを低減させることができる。
一方、図６（ｂ）に示すように、フロント作業装置３０が最小旋回半径まで縮められ、最大水平距離ＲAが所定水平距離Ｒ0以下になると、条件１が成立し、旋回角度θに関わらずＰＭモータ４の動作が制限されない。このときの油圧ショベル２０の旋回領域を、図６（ｂ）中に二点鎖線で示す。このように、フロント作業装置３０が制限領域と干渉しない場合には、通常の旋回動作を行うことができ、良好な操作性を確保することができる。
【００５９】
また、上述の実施形態では、ＰＭモータ４の回転子４ａのモータ角速度を検出するためのセンサとして、ロータ部５ａ及びステータ部５ｂ間の電磁誘導を利用したレゾルバ５を用いているため、簡素な構成で正確なセンシングが期待できる。また、例えばロータリーエンコーダやジャイロセンサと比較して耐環境性に優れており、制御の信頼性を高めることができる。
【００６０】
さらに、上述の実施形態では、図６（ａ）に示すように、旋回範囲設定部１６において旋回角度θの最大値θmax及び最小値θminを設定しているため、旋回範囲のしきい値を定めることができ、制限領域と非制限領域との境界を正確に設定することができる。
【００６１】
［５．その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上述の実施形態では、上部旋回体２２の旋回範囲がモニタコンソール３へのオペレータ操作により設定されるものとしたが、より簡便な手法を用いて旋回範囲を設定することが考えられる。具体的には、旋回の基準位置（キャリブレーション位置）や旋回角度のしきい値となる位置（目標停止位置）まで機体を実際に旋回させた状態で所定のボタンを操作することにより、旋回範囲を設定する構成としてもよい。
【００６２】
例えば、油圧ショベル２０が図６（ａ）中に破線で示される姿勢で所定のボタンを押し、さらに、実線で示される姿勢で再びボタンを押す、という手順とする。この手順では、二回目のボタン操作が旋回範囲の境界値を設定するものであり、一回目のボタン操作は旋回範囲の境界値からの方向を設定するものであるとみなすことができる。このような手順により、極めて簡単に旋回範囲を設定することができる。
【００６３】
なお、旋回範囲内における境界値以外の任意の角度がわかれば、旋回範囲の境界値からの方向が定まるため、少なくとも二つ以上の角度が入力されれば、旋回範囲を設定することが可能である。
また、上述の実施形態では、停止制御部１７で算出された最大水平距離ＲAが所定水平距離Ｒ0以下である場合に旋回範囲を制限しない構成であるが、このような構成に代えて、最大水平距離ＲAに応じて旋回範囲のしきい値を変更する構成とすることも考えられる。すなわち、最大水平距離ＲAが小さいほど、許容される旋回範囲が拡大するような設定とする。この場合、スティック３２やバケット３３の位置（座標）を考慮して、制限領域と干渉しない最大旋回範囲を算出することで、油圧ショベル２０の旋回動作をより柔軟に制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、電気ハイブリッド型油圧ショベルや電動油圧ショベル等、電動旋回モータを備えた作業機全般に適用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１  旋回操作レバー
２  角度センサ（フロント位置センサ）
２ａ  ブーム角度センサ
２ｂ  スティック角度センサ
２ｃ  バケット角度センサ
３  モニタコンソール
４  ＰＭモータ（電動モータ）
４ａ  回転子
４ｂ  固定子
４ｃ  内表面
４ｄ  外表面
５  レゾルバ（角速度検出手段）
５ａ  ロータ部
５ｂ  ステータ部
５ｃ  第一巻線
５ｄ  第二巻線
５ｅ  第三巻線
５ｆ  第四巻線
５ｇ  検出巻線
６  ボールレース
６ａ  内輪
６ｂ  外輪
７  バッテリ
８  エンジン
１０  コントローラ
１１  目標旋回速度設定部
１２  リミッタ
１３  速度制御部（電動モータ制御手段）
１３ａ  モータ目標回転速度設定部
１３ｂ  減算部
１３ｃ  比例演算部
１３ｄ  積分演算部
１３ｅ  加算部
１３ｆ  出力制限部
１４  モータ実速度変換部
１５  旋回角度算出部（旋回角度算出手段）
１６  旋回範囲設定部（旋回範囲設定手段）
１７  停止制御部（停止制御手段）
２０  油圧ショベル（作業機械）
２１  下部走行体
２２  上部旋回体
２３  旋回装置
２４  カウンタウェイト
２５  キャブ
２７  油圧ポンプルーム
２８  エンジンルーム
３０  フロント作業装置
３１  ブーム
３２  スティック
３３  バケット
４１  モータ部
４２  減速機構
４３  出力軸
４４，４５  歯車
４６，４７  転がり軸受
４８  ハウジング
Ｌ  操作量
Ｖ0  目標旋回速度
Ｖ0max  目標旋回速度の上限値
Ｖ0min  目標旋回速度の下限値
Ｖ1  制御目標旋回速度
ＶT  回転子の回転速度の目標値
ＫP  比例ゲイン
（１／ＴI）  積分ゲイン
Ｖ2  目標回転速度
Ｖ2max  目標回転速度の上限値
Ｖ2min  目標回転速度の下限値
ＶC  制御目標回転速度
Ｖrad  回転子の回転速度
ＶR  回転子の実回転速度
θ  旋回角度
θmin  旋回範囲の最小値
θmax  旋回範囲の最大値
ＲA  最大水平距離
Ｒ0  所定水平距離
【図１】
2011052383.tif 000003
【図２】
2011052383.tif 000004
【図３】
2011052383.tif 000005
【図４】
2011052383.tif 000006
【図５】
2011052383.tif 000007
【図６】
2011052383.tif 000008