(57)【要約】【課題】２相変調と３相変調を連続的に切りかえ可能な電動旋回装置を提供する。【解決手段】３相出力のスイッチング回路１９は、旋回用電動機２１を駆動する。インバータコントローラ３０Ｃは、スイッチング回路１９を制御する。相電圧指令生成部３５は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆを生成する。変調コントローラ３６は、可変のパラメータα（０≦α≦１）にもとづいて、式（１ａ）もしくは（２ａ）にしたがい、相電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆを制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔに変換する。  Ｖｕ＿ｏｕｔ＝Ｖｕ＿ｒｅｆ−α×ｍｉｎ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）    …（１ａ）  Ｖｕ＿ｏｕｔ＝Ｖｕ＿ｒｅｆ＋α×｛Ｖｂａｓｅ−ｍａｘ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）｝      …（２ａ）【選択図】図３
2015198457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行機構および前記走行機構に旋回自在に搭載された上部旋回体を備える産業車両であって、
電動機と、
前記電動機のトルクを指示する電流指令にもとづき前記電動機を駆動する３相インバータと、
を備え、
前記３相インバータは、
前記電動機を駆動する３相出力のスイッチング回路と、
前記スイッチング回路を制御するインバータコントローラと、
を備え、
前記インバータコントローラは、
Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆを生成する相電圧指令生成部と、
可変のパラメータα（０≦α≦１）にもとづいて、式（１ａ）〜（１ｃ）のセットまたは式（２ａ）〜（２ｃ）のセットの少なくとも一方にしたがい、前記相電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆを制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔ、Ｖｖ＿ｏｕｔ、Ｖｗ＿ｏｕｔに変換する変調コントローラと、
Ｖｕ＿ｏｕｔ＝Ｖｕ＿ｒｅｆ−α×ｍｉｎ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）      …（１ａ）
Ｖｖ＿ｏｕｔ＝Ｖｖ＿ｒｅｆ−α×ｍｉｎ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）      …（１ｂ）
Ｖｗ＿ｏｕｔ＝Ｖｗ＿ｒｅｆ−α×ｍｉｎ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）      …（１ｃ）
Ｖｕ＿ｏｕｔ＝Ｖｕ＿ｒｅｆ＋α×｛Ｖｂａｓｅ−ｍａｘ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）｝      …（２ａ）
Ｖｖ＿ｏｕｔ＝Ｖｖ＿ｒｅｆ＋α×｛Ｖｂａｓｅ−ｍａｘ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）｝      …（２ｂ）
Ｖｗ＿ｏｕｔ＝Ｖｗ＿ｒｅｆ＋α×｛Ｖｂａｓｅ−ｍａｘ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）｝      …（２ｃ）
制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔ、Ｖｖ＿ｏｕｔ、Ｖｗ＿ｏｕｔそれぞれをキャリア信号と比較することにより、３相のパルス信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを生成するパルス幅変調器と、
を備えることを特徴とする産業車両。
【請求項２】
前記パラメータαは、前記電流指令ｉｒｅｆを引数とする関数α＝ｆ（ｉｒｅｆ）として定義され、前記関数ｆ（）は、電流指令ｉｒｅｆが大きくなるほどαが大きくなるように定められることを特徴とする請求項１に記載の産業車両。
【請求項３】
前記電動機は、走行機構に対して上部旋回体を旋回駆動させる動力を発生する旋回用電動機であることを特徴とする請求項１または２に記載の産業車両。
【請求項４】
前記関数ｆ（）は、前記電流指令ｉｒｅｆに加えて、旋回速度指令ωｃｍｄを引数として定義され、前記関数ｆ（）は、旋回速度指令ωｃｍｄが小さいほど、αが大きくなるように定められることを特徴とする請求項３に記載の産業車両。
【請求項５】
前記キャリア周波数ｆｃは、前記電流指令ｉｒｅｆを引数とする関数ｆｃ＝ｇ（ｉｒｅｆ）として定義され、前記関数ｇ（）は、電流指令ｉｒｅｆが大きくなるほどｆｃが低くなるように定められることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の産業車両。
【請求項６】
前記関数ｇ（）は、前記電流指令ｉｒｅｆに加えて、旋回速度指令ωｃｍｄを引数として定義され、前記関数ｇ（）は、旋回速度指令が小さいほど、ｆｃが低くなるように定められることを特徴とする請求項５に記載の産業車両。
【請求項７】
前記パラメータαは、旋回停止状態から旋回開始直後において大きくなり、加速後に小さくなることを特徴とする請求項３に記載の産業車両。
【請求項８】
前記パラメータαは、低速旋回時において大きくなり、高速旋回時において小さくなることを特徴とする請求項３に記載の産業車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動旋回装置を備える産業車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のパワーショベルやクレーンをはじめとする建設機械において、上部旋回体の動力源として、油圧モータと交流電動機のハイブリッド型が利用される。ハイブリッド型の旋回動力源は、上部旋回体の加速時において、交流電動機によって油圧モータをアシストし、減速時においては交流電動機によって回生運転を行い、発電エネルギーによってバッテリを充電する。
【０００３】
３相交流電動機を駆動するインバータの制御方式としては、２相変調方式と３相変調方式が知られている。３相変調方式は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の相電圧指令をそのままパルス幅変調し、交流電動機を駆動する。一方、２相変調方式は、３相のうち１相のスイッチングを停止した状態で、交流電動機を駆動する。２相変調方式は、インバータのスイッチング回路における電力損失を低減することができ、また電圧の利用効率を高めることができるという利点がある。一方、２相変調方式は、交流電動機の出力電流が小さいときには、デッドタイムの影響により、電流波形が歪み、制御性が３相変調方式に比べて劣るという問題がある。
【０００４】
特許文献１には、２相変調方式と３相変調方式を切りかえて交流電動機を駆動する技術が開示される。具体的には、２相変調方式と３相変調方式を切りかえる際には、時間軸上で、時間をパラメータとして、制御を切りかえる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１００６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、従来とは異なる新規なアプローチによって、２相変調と３相変調を連続的に切りかえ可能な電動旋回装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、走行機構および走行機構に旋回自在に搭載された上部旋回体を備える産業車両に関する。産業車両は、電動機と、電動機のトルクを指示する電流指令にもとづき旋回用電動機を駆動する３相インバータと、を備える。３相インバータは、電動機を駆動する３相出力のスイッチング回路と、スイッチング回路を制御するインバータコントローラと、を備える。インバータコントローラは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆを生成する相電圧指令生成部と、０≦α≦１となる可変パラメータにもとづいて、式（１ａ）〜（１ｃ）のセットもしくは式（２ａ）〜（２ｃ）のセットの少なくとも一方にしたがい、相電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆを制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔ、Ｖｖ＿ｏｕｔ、Ｖｗ＿ｏｕｔに変換する変調コントローラと、制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔ、Ｖｖ＿ｏｕｔ、Ｖｗ＿ｏｕｔそれぞれをキャリア信号と比較することにより、３相のパルス信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを生成するパルス幅変調器と、を備える。
Ｖｕ＿ｏｕｔ＝Ｖｕ＿ｒｅｆ−α×ｍｉｎ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）      …（１ａ）
Ｖｖ＿ｏｕｔ＝Ｖｖ＿ｒｅｆ−α×ｍｉｎ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）      …（１ｂ）
Ｖｗ＿ｏｕｔ＝Ｖｗ＿ｒｅｆ−α×ｍｉｎ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）      …（１ｃ）
Ｖｕ＿ｏｕｔ＝Ｖｕ＿ｒｅｆ＋α×｛Ｖｂａｓｅ−ｍａｘ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）｝      …（２ａ）
Ｖｖ＿ｏｕｔ＝Ｖｖ＿ｒｅｆ＋α×｛Ｖｂａｓｅ−ｍａｘ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）｝      …（２ｂ）
Ｖｗ＿ｏｕｔ＝Ｖｗ＿ｒｅｆ＋α×｛Ｖｂａｓｅ−ｍａｘ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）｝      …（２ｃ）
ｍｉｎ（）は、最小値を選択する関数であり、ｍａｘ（）は最大値を選択する関数であり、Ｖｂａｓｅは所定電圧である。
【０００８】
この態様によると、式（１ａ）〜（１ｃ）で表されるアルゴリズム、もしくは式（２ａ）〜（２ｃ）を用いることにより、２相変調と３相変調を連続的に切りかえることが可能となる。また、切りかえの程度、速度を、パラメータαに応じて調節することができる。
【０００９】
パラメータαは、電流指令ｉｒｅｆを引数とする関数α＝ｆ（ｉｒｅｆ）として定義され、関数ｆ（）は、電流指令ｉｒｅｆが大きくなるほどαが大きくなるように定められてもよい。
【００１０】
電動機は、走行機構に対して上部旋回体を旋回駆動させる動力を発生する旋回用電動機であってもよい。
【００１１】
関数ｆ（）は、電流指令ｉｒｅｆに加えて、旋回速度指令ωｃｍｄを引数として定義され、関数ｆ（）は、旋回速度指令ωｃｍｄが小さいほど、αが大きくなるように定められてもよい。
【００１２】
キャリア周波数ｆｃは、電流指令ｉｒｅｆを引数とする関数ｆｃ＝ｇ（ｉｒｅｆ）として定義され、関数ｇ（）は、電流指令ｉｒｅｆが大きくなるほどｆｃが低くなるように定められてもよい。
【００１３】
関数ｇ（）は、電流指令ｉｒｅｆに加えて、旋回速度指令ωｃｍｄを引数として定義され、関数ｇ（）は、旋回速度指令ωｃｍｄが小さいほど、ｆｃが低くなるように定められてもよい。
【００１４】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、従来とは異なる新規なアプローチによって、２相変調と３相変調を連続的に切りかえることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。
【図２】実施の形態に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。
【図３】実施の形態に係る電動旋回装置の構成を示す制御ブロック図である。
【図４】変調コントローラの構成例を示すブロック図である。
【図５】３相変調および２相変調の基本動作を示す波形図である。
【図６】実施の形態において、パラメータαを０〜１まで連続的に変化させたときの動作波形図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、第１実施例におけるパラメータαと電流指令ｉｒｅｆの関係を示す図である。
【図８】電動旋回装置の速度制御に関する制御ブロック図である。
【図９】第２実施例におけるパラメータαと、電流指令ｉｒｅｆおよび旋回速度指令ωｃｍｄの関係を示す図である。
【図１０】第３実施例におけるキャリア周波数ｆｃと電流指令ｉｒｅｆの関係を示す図である。
【図１１】第４実施例におけるキャリア周波数ｆｃと、電流指令ｉｒｅｆおよび旋回速度指令ωｃｍｄの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１８】
図１は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主として走行機構２と、走行機構２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に旋回体ともいう）４とを備えている。
【００１９】
旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。
【００２０】
図２は、実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図２では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。
【００２１】
ショベル１は電動発電機１２および減速機１３を備えており、エンジン１１及び電動発電機１２の回転軸は、共に減速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、電動発電機１２が自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電を行う。電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータによって構成される。電動発電機１２の駆動と発電との切りかえは、ショベル１における電気系統の駆動制御を行うコントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。
【００２２】
減速機１３の出力軸にはメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されており、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。コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１に示した走行機構２を駆動するための油圧モータ２Ａ及び２Ｂの他、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が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。
【００２３】
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（操作手段）が接続されている。操作装置２６は、旋回用電動機２１、走行機構２、ブーム５、アーム６、及びバケット１０を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を操作者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。
【００２４】
圧力センサ２９は、操作装置２６に対して旋回機構３を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン２８内の油圧の変化として検出する。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力され、旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。
【００２５】
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によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。コントローラ３０は、各種センサ及び操作装置２６等からの操作入力を受けて、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ及び蓄電手段１０１等の駆動制御を行う。
【００２６】
油圧モータ３１０は、ブーム５が下げられるときにブームシリンダ７から吐出される油によって回転されるように構成されており、ブーム５が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ３１０は、コントロールバルブ１７とブームシリンダ７の間の油圧管７Ａに設けられている。ブーム回生用発電機３００で発電された電力は、回生エネルギとしてインバータ１８Ｂを経て蓄電手段１０１に供給される。
【００２７】
旋回用電動機２１は、図１の旋回機構３に設けられ、上部旋回体４を回動させる。旋回用電動機２１は交流電動機であり、旋回体４を旋回させる旋回機構３の動力源である。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、及び旋回減速機２４が接続される。旋回用インバータ１８Ｃは、蓄電手段１０１からの電力を受け、旋回用電動機２１を駆動する。また旋回用電動機２１の回生運転時には、旋回用電動機２１からの電力を蓄電手段１０１に回収する。
【００２８】
旋回用電動機２１が力行運転を行う際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、旋回体４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体４の慣性回転により、旋回減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させる。
【００２９】
レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構３の回転角度及び回転方向が導出される。メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ３０からの指令によって、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構３に機械的に伝達する減速機である。
【００３０】
続いて電気系統について詳細に説明する。電気系統は主として、コントローラ３０、電源装置１００、インバータ１８Ａ〜１８Ｃを備える。
【００３１】
（アシスト）
アシスト用のインバータ１８Ａの２次側（出力）端には、電動発電機１２が接続される。インバータ１８Ａは、コントローラ３０の一部であるアシスト用インバータコントローラ３０Ａからの指令にもとづき、電動発電機１２の運転制御を行う。
【００３２】
（ブーム回生）
インバータ１８Ｂの２次側（出力）端には、ブーム回生用発電機３００が接続されている。上述のようにブーム回生用発電機３００は、ブーム５が重力の作用により下げられるときに、位置エネルギを電気エネルギに変換する電動作業要素である。インバータ１８Ｂは、コントローラ３０のブーム回生用のインバータコントローラ３０Ｂによって制御され、ブーム回生用発電機３００が発生する電気エネルギを直流電力に変換し、電源装置１００に回収する。
【００３３】
（旋回）
旋回用電動機２１、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、旋回減速機２４、旋回用インバータ１８Ｃおよびコントローラ３０の一部である旋回用のインバータコントローラ３０Ｃは、電動旋回装置５００を構成する。
旋回用電動機２１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御指令により旋回用インバータ１８Ｃによって交流駆動される。旋回用電動機２１としては、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータが好適である。
【００３４】
旋回用インバータコントローラ３０Ｃは、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ２２により検出される旋回用電動機２１の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ１８Ｃを制御する。
【００３５】
（電源）
蓄電手段１０１とコントローラ３０の一部であるコンバータコントローラ３０Ｄは、電源装置１００を構成する。蓄電手段１０１は、例えば蓄電池であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、正極及び負極の直流配線からなるＤＣバスとを備えている（図示せず）。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な２次電池、キャパシタ、そのほか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。ＤＣバスには、インバータ１８Ａ〜インバータ１８Ｃそれぞれの１次側（直流入力）が接続されている。コントローラ３０Ｄは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。電源装置１００は、電動発電機１２等が力行運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧動作させ、電動発電機１２等が回生運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧動作させ、電動発電機１２が発生した電力を蓄電器に回収する。
【００３６】
すなわち、インバータ１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、必要な電力をバッテリ及び昇降圧コンバータからＤＣバスを介して電動発電機に供給する。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力をＤＣバス及び昇降圧コンバータを介してバッテリに充電する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値にもとづき、コンバータコントローラ３０Ｄによって行われる。これにより、ＤＣバスを、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。
【００３７】
以上がショベル１の全体構成である。続いて、実施の形態に係る電動旋回装置５００について詳細に説明する。
【００３８】
図３は、実施の形態に係る電動旋回装置５００の構成を示す制御ブロック図である。
電動旋回装置５００は、旋回用電動機２１および旋回用インバータ１８Ｃを備える。旋回用インバータ１８Ｃは、旋回用電動機２１を駆動する３相出力のスイッチング回路１９と、スイッチング回路１９を制御するインバータコントローラ３０Ｃを備える。
【００３９】
スイッチング回路１９は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワートランジスタで構成され、パワートランジスタは、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）に内蔵されている。ＩＰＭは、温度センサ等の各種センサを搭載しており、各種センサは、過電流、制御電源電圧低下、出力短絡、温度異常といった事象を検出し、これらの事象を検出した場合には、ＩＰＭエラー信号を出力する。ここで、温度異常の事象は、インバータの温度が所定の運転停止温度以上になったことを意味する。運転停止温度は、例えば１００℃に設定される。ＩＰＭは、ＩＰＭエラー信号を検出すると、ＩＰＭ自身の保護のために、あるいは駆動対象のモータやインバータの焼損防止のために、駆動対象のモータを駆動するための電流の供給を停止する。この場合には、ショベル１の動作自体も停止され、連続運転が中断される。
【００４０】
インバータコントローラ３０Ｃは、相電圧指令生成部３５、変調コントローラ３６およびパルス幅変調器３７を備える。
相電圧指令生成部３５は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆを生成する。
【００４１】
本実施の形態において、インバータコントローラ３０Ｃは、３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、回転座標系であるｄｑ座標系に３相／２相変換し、スイッチング回路１９のアーム（トランジスタ）をフィードバック制御するベクトル制御を行う。
相電圧指令生成部３５には、前段のコントローラ（不図示）から、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆおよびｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆが入力される。また電流センサ（不図示）によって検出された相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出値入力される。
【００４２】
たとえば相電圧指令生成部３５は、誤差検出器３１、ＰＩ制御部３２、２相３相変換器３３、３相２相変換器３４を備える。３相２相変換器３４は、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出値を、回転座標系のｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑに変換する。誤差検出器３１ｄは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆとｄ軸電流検出値Ｉｄの誤差ΔＩｄを演算し、誤差検出器３１ｑは、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆとｑ軸電流検出値Ｉｑの誤差ΔＩｑを演算する。ＰＩ制御部３２ｄは、誤差ΔＩｄがゼロに近づくように、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＿ｒｅｆを生成する。同様にＰＩ制御部３２ｑは、誤差ΔＩｑがゼロに近づくように、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＿ｒｅｆを生成する。２相３相変換器３３は、回転座標系の電圧指令Ｖｄ＿ｒｅｆ、Ｖｑ＿ｒｅｆを、ＵＶＷ座標系の相電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆに変換する。
【００４３】
変調コントローラ３６は、相電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆを、０≦α≦１となる可変パラメータにもとづいて、式（２ａ）〜（２ｃ）で与えられる制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔ、Ｖｖ＿ｏｕｔ、Ｖｗ＿ｏｕｔに変換する。
Ｖｕ＿ｏｕｔ＝Ｖｕ＿ｒｅｆ＋α×｛Ｖｂａｓｅ−ｍａｘ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）｝      …（２ａ）
Ｖｖ＿ｏｕｔ＝Ｖｖ＿ｒｅｆ＋α×｛Ｖｂａｓｅ−ｍａｘ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）｝      …（２ｂ）
Ｖｗ＿ｏｕｔ＝Ｖｗ＿ｒｅｆ＋α×｛Ｖｂａｓｅ−ｍａｘ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）｝      …（２ｃ）
【００４４】
ｍａｘ（）は、最大値を選択する関数である。α＝１のときに、たとえばＵ相の相電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆが最大であるとする。このとき、制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔ、Ｖｖ＿ｏｕｔ、Ｖｗ＿ｏｕｔは以下の式で表される。
Ｖｕ＿ｏｕｔ＝Ｖｂａｓｅ
Ｖｖ＿ｏｕｔ＝Ｖｖ＿ｒｅｆ＋｛Ｖｂａｓｅ−Ｖｕ＿ｒｅｆ｝
Ｖｗ＿ｏｕｔ＝Ｖｗ＿ｒｅｆ＋｛Ｖｂａｓｅ−Ｖｕ＿ｒｅｆ｝
【００４５】
すなわち式（２ａ）〜（２ｃ）のアルゴリズムでは、相電圧指令が最大値をとる相において、制御電圧がベース電圧Ｖｂａｓｅに固定される。ベース電圧Ｖｂａｓｅは、キャリア信号Ｖｃの振幅に応じて定められており、キャリア信号Ｖｃのピーク以上の電圧レベルとされる。これにより、相電圧指令が最大値をとる相においてスイッチングが停止する。
【００４６】
図４は、パルス幅変調器３７の構成例を示すブロック図である。パルス幅変調器３７は、キャリア周波数ｆｃを有するキャリア信号Ｖｃを、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔ、Ｖｖ＿ｏｕｔ、Ｖｗ＿ｏｕｔそれぞれと比較することにより、３相のパルス信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを生成する。キャリア信号Ｖｃは、ベース電圧Ｖｂａｓｅに応じた振幅を有する三角波形あるいはランプ波形を有する周期信号である。
【００４７】
具体的にはパルス幅変調器３７は、キャリア信号生成部３８、コンパレータ３９ｈ、３９ｌを含む。
【００４８】
スイッチング回路１９の上側アームＭＨと下側アームＭＬが同時オンするのを防止するためにデッドタイムが挿入される。デッドタイムを設定するために、キャリア信号生成部３８は、所定量シフトした同相の２つのキャリア信号Ｖｃ＿ｈ，Ｖｃ＿ｌを生成する。コンパレータ３９ｈは、キャリア信号Ｖｃ＿ｈと制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔを比較し、比較結果に応じてＵ相の上側アームＭＨの駆動信号Ｓｕ＿ｈを生成する。コンパレータ３９ｌは、キャリア信号Ｖｃ＿ｌと制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔを比較し、比較結果に応じてＵ相の下側アームＭＬの駆動信号Ｓｕ＿ｈを生成する。Ｕ相、Ｗ相も同様である。なおキャリア信号生成部３８は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相で共有することができる。またデッドタイムの挿入方法はこれには限定されず、公知の技術を用いればよい。
【００４９】
スイッチング回路１９のゲートドライバ１９ｈは、駆動信号Ｓｕ＿ｈにもとづいて上側アームＭＨを駆動し、ゲートドライバ１９ｌは、駆動信号Ｓｕ＿ｌにもとづいて下側アームＭＬを駆動する。
【００５０】
以上が電動旋回装置５００の基本構成である。続いてその動作を説明する。
図５は、３相変調および２相変調の基本動作を示す波形図である。時刻ｔ１より前が３相変調を、時刻ｔ１以降が２相変調を示す。
【００５１】
図６は、実施の形態において、パラメータαを０〜１まで連続的に変化させたときの動作波形図である。α＝０のとき、変調コントローラ３６およびパルス幅変調器３７の動作は、図４の時刻ｔ１以前と同様の３相変調である。α＝１のとき、変調コントローラ３６およびパルス幅変調器３７の動作は、図４の時刻ｔ１以降と同様の２相変調である。αが０と１の中間値をとるときには、３相変調と２相変調の中間的な状態となる。
【００５２】
以上が電動旋回装置５００の動作である。
実施の形態に係る電動旋回装置５００によれば、αを連続的に変化させることで、３相変調と２相変調を連続的に遷移させることができる。
【００５３】
続いて、パラメータαの生成方法についていくつかの実施例をもとに説明する。
【００５４】
（第１実施例）
図７（ａ）、（ｂ）は、第１実施例におけるパラメータαと電流指令ｉｒｅｆの関係を示す図である。この実施例では変調コントローラ３６にはパラメータαが、電流指令ｉｒｅｆを引数とする関数α＝ｆ（ｉｒｅｆ）として定義されている。関数ｆ（）は、電流指令ｉｒｅｆが大きくなるほどαが大きくなるように定められる。電流指令ｉｒｅｆは、図３の制御ブロック図におけるｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆとｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆの二乗平均平方根√（Ｉｄ＿ｒｅｆ２＋Ｉｑ＿ｒｅｆ２）であってもよいし、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆであってもよいし、それより上流で生成される電流指令値、言い換えればトルク指令値であってもよい。
【００５５】
図７（ａ）では、実線で示す関数ｆ（ｉｒｅｆ）は、以下のように定められる。
α＝０    （ｉｒｅｆ＜ｉｍｉｎ）
α＝（ｉｒｅｆ−ｉｍｉｎ）×１／（ｉｍａｘ−ｉｍｉｎ）    （ｉｍｉｎ＜ｉｒｅｆ＜ｉｍａｘ）
α＝１    （ｉｍａｘ＜ｉｒｅｆ）
【００５６】
これにより、電流指令ｉｒｅｆが所定のしきい値ｉｍｉｎより小さいときには３相変調で、電流指令ｉｒｅｆが所定のしきい値ｉｍａｘより大きいときには２相変調で動作させることができ、電流指令ｉｒｅｆがｉｍｉｎ〜ｉｍａｘの間であるときには、それらの中間的な状態で動作させることができる。
【００５７】
たとえばショベル１の旋回軸が停止した状態から、旋回を開始するときには、大きなトルクが必要とされるため、一時的に電流指令ｉｒｅｆが大きくなる。したがって、旋回開始直後の加速動作時においては２相変調で動作させることで、インバータの損失を低減できるため、ユニットを小型化することが可能となる。またある程度加速した後には制御性に優れる３相変調に切りかえることにより、ショベル１の良好な操作性を確保することができる。
【００５８】
図７（ｂ）に示すように、パラメータαを別の関数、たとえば２次関数や指数関数として定義してもよい。
【００５９】
２相変調のデメリットとして、３相変調よりも音響ノイズが大きい点が挙げられる。この点に関して、ショベル１においては、電流指令ｉｒｅｆが大きくなるのはパワーや速度が要求される状況であり、これらの状況では、掘削音や走行音、旋回音など、ショベル１が発生する機械的な音が大きいことが多い。したがってインバータの発生するノイズはそれらの機械的な音に埋もれるため、問題となりにくく、したがって２相変調のデメリットは緩和される。
（第２実施例）
第２実施例では、関数ｆ（）は、電流指令ｉｒｅｆに加えて、旋回速度指令ωｃｍｄを引数として定義される。図８は、電動旋回装置５００の速度制御に関する制御ブロック図である。コントローラ３０Ｃは、上流のコントローラから、旋回用電動機２１の旋回速度を指示する速度指令ωｃｍｄを受ける。またレゾルバ２２から、旋回用電動機２１の現在の旋回速度の検出値ωｒｅｓを受ける。コントローラ３０Ｃの速度コントローラ４０は、速度指令ωｃｍｄと検出値ωｒｅｓの誤差がゼロに近づくように、ＰＩ制御によって、旋回用電動機２１のトルク指令値τｒｅｆを調節する。トルク電流変換部４２は、トルク指令値τｒｅｆを、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆおよびｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆに変換する。
【００６０】
図９は、第２実施例におけるパラメータαと、電流指令ｉｒｅｆおよび旋回速度指令ωｃｍｄの関係を示す図である。関数ｆ（）は、旋回速度指令ωｃｍｄの絶対値が小さいほど、αが大きくなるように定められる。
【００６１】
第２実施例によれば、速度指令ωｃｍｄに応じて変調方式を制御することができる。すなわち、ショベル１の旋回軸を高速旋回させるときにはαの値が小さくなり、３相変調で動作し、旋回軸を低速旋回させるときにはαの値が大きくなり、２相変調で動作する。これにより、高速旋回時には、制御性能が高い３相変調で動作することとなるため、良好な操作感を実現でき、それほど高い制御性能が要求されない低速旋回時には、２相変調で動作させることで、消費電力を低減できる。
【００６２】
パラメータαに加えて、パルス幅変調器３７におけるキャリア周波数ｆｃを制御してもよい。キャリア周波数ｆｃの制御について、第３、第４実施例をもとに説明する。
【００６３】
（第３実施例）
図１０は、第３実施例におけるキャリア周波数ｆｃと電流指令ｉｒｅｆの関係を示す図である。この実施例では、キャリア周波数ｆｃが、電流指令ｉｒｅｆを引数とする関数ｆｃ＝ｇ（ｉｒｅｆ）として定義されている。関数ｇ（）は、電流指令ｉｒｅｆが大きくなるほどキャリア周波数ｆｃが低くなるように定められる。
【００６４】
これにより、電流指令ｉｒｅｆが所定のしきい値ｉＴＨ１より小さいときには高いキャリア周波数で、電流指令ｉｒｅｆが所定のしきい値ｉＴＨ２より大きいときには２相変調で動作させることができ、電流指令ｉｒｅｆがｉｍｉｎ〜ｉｍａｘの間であるときには、それらの中間的な周波数で動作させることができる。
【００６５】
たとえばショベル１の旋回軸が停止した状態から、旋回を開始するときには、大きなトルクが必要とされるため、一時的に電流指令ｉｒｅｆが大きくなる。したがって、旋回開始直後の加速動作時においてはキャリア周波数を低下させることで、２相変調で動作することとあいまって、インバータの損失を低減できるため、ユニットを小型化することが可能となる。またある程度加速した後にはキャリア周波数を高めることにより、３相変調で動作することとあいまって、制御性を高めることができ、ショベル１の良好な操作性を確保することができる。
【００６６】
関数ｇ（）は、図１０のそれには限定されない。
【００６７】
（第４実施例）
第４実施例では、関数ｇ（）は、電流指令ｉｒｅｆに加えて、旋回速度指令ωｃｍｄを引数として定義される。図１１は、第４実施例におけるキャリア周波数ｆｃと、電流指令ｉｒｅｆおよび旋回速度指令ωｃｍｄの関係を示す図である。関数ｇ（）は、旋回速度指令ωｃｍｄの絶対値が小さいほど、ｆｃが低くなるように定められる。
【００６８】
第４実施例によれば、速度指令ωｃｍｄに応じてキャリア周波数を制御することができる。すなわち、ショベル１の旋回軸を高速旋回させるときにはキャリア周波数ｆｃが高くなり、旋回軸を低速旋回させるときにはキャリア周波数ｆｃが低くなる。これにより、高速旋回時には、キャリア周波数を高めて制御性能を高めることで、３相変調で動作することとあいまって、良好な操作感を実現できる。反対にそれほど高い制御性能が要求されない低速旋回時には、キャリア周波数ｆｃを低下させることで、２相変調で動作させることとあいまって、消費電力を低減できる。
【００６９】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。
【００７０】
（第１変形例）
実施の形態では、式（２ａ）〜（２ｃ）にもとづいて、制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔ、Ｖｖ＿ｏｕｔ、Ｖｗ＿ｏｕｔを生成する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。式（２ａ）〜（２ｃ）に代えて、式（１ａ）〜（１ｃ）のセットを用いてもよい。
Ｖｕ＿ｏｕｔ＝Ｖｕ＿ｒｅｆ−α×ｍｉｎ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）      …（１ａ）
Ｖｖ＿ｏｕｔ＝Ｖｖ＿ｒｅｆ−α×ｍｉｎ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）      …（１ｂ）
Ｖｗ＿ｏｕｔ＝Ｖｗ＿ｒｅｆ−α×ｍｉｎ（Ｖｕ＿ｒｅｆ，Ｖｖ＿ｒｅｆ，Ｖｗ＿ｒｅｆ）      …（１ｃ）
【００７１】
ｍｉｎ（）は、最小値を選択する関数である。α＝１のときに、たとえばＶ相の相電圧指令Ｖｖ＿ｒｅｆが最小であるとする。このとき、制御指令Ｖｕ＿ｏｕｔ、Ｖｖ＿ｏｕｔ、Ｖｗ＿ｏｕｔは以下の式で表される。
Ｖｕ＿ｏｕｔ＝Ｖｕ＿ｒｅｆ−Ｖｖ＿ｒｅｆ      …（１ａ）
Ｖｖ＿ｏｕｔ＝０          …（１ｂ）
Ｖｗ＿ｏｕｔ＝Ｖｗ＿ｒｅｆ−Ｖｖ＿ｒｅｆ      …（１ｃ）
【００７２】
式（１ａ）〜（１ｃ）のアルゴリズムでは、相電圧指令が最小値をとる相において、制御電圧が０、すなわちキャリア信号Ｖｃの最小値以下に固定される。これにより、相電圧指令が最小値をとる相においてスイッチングが停止する。
【００７３】
あるいは、変調コントローラ３６は、式（１ａ）〜（１ｃ）のセットと、式（２ａ）〜（２ｃ）のセットと、交互に用いてもよい。
（第２変形例）
実施の形態では、パラメータαを、電流指令ｉｒｅｆあるいは速度指令ωｃｍｄの関数として変化させる場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえばパラメータαをインバータの相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの検出値、あるいは旋回速度の検出値ωｒｅｓの関数として定義してもよい。あるいはパラメータαを、時間ｔの関数として定義してもよい。
【００７４】
（第３変形例）
実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル１を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、旋回機構を備えるリフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。あるいは実施の形態では、旋回用電動機２１の制御について説明したが、その他の電動機、たとえばパワーアシスト用の電動発電機１２にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１…ショベル、２…走行機構、２Ａ…油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、７…ブームシリンダ、７Ａ…油圧管、８…アームシリンダ、９…バケットシリンダ、１０…バケット、１１…エンジン、１２…電動発電機、１３…減速機、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、１８，１８Ａ，１８Ｂ…インバータ、１８Ｃ…旋回用インバータ、１９…スイッチング回路、２１…旋回用電動機、２１Ａ…回転軸、２２…レゾルバ、２３…メカニカルブレーキ、２４…旋回減速機、２５…パイロットライン、２６…操作装置、２７，２８…油圧ライン、２９…圧力センサ、３０…コントローラ、３０Ａ，３０Ｃ…インバータコントローラ、３０Ｄ…コンバータコントローラ、３１…誤差検出器、３２…ＰＩ制御部、３３…２相３相変換器、３４…３相２相変換器、３５…相電圧指令生成部、３６…変調コントローラ、３７…パルス幅変調器、３８…キャリア信号生成部、３９…コンパレータ、４０…速度コントローラ、４２…トルク電流変換部、１００…蓄電手段、３００…ブーム回生用発電機、３１０…油圧モータ、５００…電動旋回装置、Ｓ１…電流検出値、Ｓ３…旋回速度値、Ｓ４…速度指令値、Ｓ５…トルク電流指令値、Ｓ６…トルクリミット値、Ｓ７…トルク電流指令値。
【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】
2015198457.tif 000009
【図８】
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【図１０】
2015198457.tif 000011
【図９】
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【図１１】
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