(57)【要約】【課題】さまざまな状況において安定性と応答性を両立する。【解決手段】電動旋回装置５００は、走行機構に対して上部旋回体を旋回駆動させる。回転角センサであるレゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転数を検出する。ＰＩコントローラ３２は、レゾルバ２２により検出された旋回用電動機２１の回転数が、目標回転数と一致するように指令値を生成する。慣性推定器５０は、上部旋回体の慣性を推定し、推定された慣性に応じてＰＩコントローラ３２の制御ゲインを調節する。インバータ１８Ｃは、指令値にもとづいて旋回用電動機２１を駆動する。【選択図】図４
2015196946.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に搭載され、前記走行機構に対して前記上部旋回体を旋回駆動させる電動旋回装置であって、
旋回用電動機と、
前記旋回用電動機の回転数を検出する回転角センサと、
前記回転角センサにより検出された前記旋回用電動機の回転数が、目標回転数と一致するように指令値を生成するコントローラと、
前記上部旋回体の慣性を推定し、推定された前記慣性に応じて前記コントローラの制御ゲインを調節する慣性推定器と、
前記指令値にもとづいて前記旋回用電動機を駆動するインバータと、
を備えることを特徴とする電動旋回装置。
【請求項２】
前記コントローラはＰＩコントローラを含み、前記慣性推定器は、推定された慣性に応じて比例係数ＫＰを調節することを特徴とする請求項１に記載の電動旋回装置。
【請求項３】
前記慣性の基準値Ｊ０に最適化された前記比例係数ＫＰの基準値ＫＰ０が定められており、前記慣性の基準値Ｊ０からの変動量がΔＪであるとき、比例係数ＫＰ＝ＫＰ０×（１＋ΔＪ／Ｊ０）であることを特徴とする請求項２に記載の電動旋回装置。
【請求項４】
前記慣性推定器は、前記産業車両を統合的に制御する上位コントローラにより取得され、かつ前記上部旋回体から伸びるブーム、アーム、バケットの少なくともひとつの状態を示すデータにもとづいて、前記慣性を推定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電動旋回装置。
【請求項５】
前記慣性推定器は、前記旋回用電動機のトルク指令値と、前記旋回用電動機の回転数にもとづいて、前記慣性を推定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電動旋回装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動旋回装置に関する。
【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、発電エネルギによってバッテリを充電する。
【０００３】
電動旋回装置は、交流電動機と、交流電動機の回転数を検出するレゾルバと、交流電動機の目標回転数ならびにレゾルバの出力にもとづいて、制御信号を生成するコントローラと、制御信号にもとづいて交流電動機を駆動するインバータと、を備える。
【０００４】
図１は、電動旋回装置の電気系統の制御ブロック図である。電動旋回装置５００ｒの制御量は、回転数ωｒｅｓである。誤差検出器３１は、交流電動機の回転数ωｒｅｓを指示する角速度指令値ωｃｍｄと、レゾルバにより検出される実際の回転数を示す角速度検出値ωｒｅｓの誤差（偏差）を検出する。ＰＩコントローラ３２は、誤差がゼロとなるように値が調節される制御指令値τｉｎを生成する。たとえば制御指令値τｉｎは、回転電動機のトルク指令値である。制御対象５２は、（1）制御指令値τｉｎに応じてパルス変調された駆動信号を生成する駆動信号生成部、（２）駆動信号にもとづいて交流電動機を駆動するインバータ、（３）インバータにより駆動される交流電動機、（４）交流電動機の回転軸により駆動される負荷をモデル化したものであり、その入力がトルクτ、その出力が回転角ωのディメンジョンを有することから、慣性Ｊとしてモデル化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１１５６４０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２２３２７号公報
【特許文献３】特開２０１０−２７５８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、図１の電動旋回装置５００ｒについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
従来の電動旋回装置５００ｒでは、ＰＩコントローラ３２の比例係数ＫＰ、すなわちループゲインは所定値に固定されるのが一般的であった。あるいはループゲインが可変であったとしても、交流電動機の回転数に応じて調節されるに留まっていた。
【０００７】
しかしながら、産業車両たとえばパワーショベルの上部旋回体がブーム、アーム、バケットなどの可動機構を有し、その慣性Ｊは、各可動機構の状態（角度）、あるいはバケットに収容される物体の重量などに応じてダイナミックに変化する。このことは、電動旋回装置５００ｒのループゲインがダイナミックに変動することを意味する。
【０００８】
ある基準慣性Ｊ０に対して安定なフィードバック系を設計したとき、実際の慣性Ｊが基準慣性Ｊ０よりも小さくなると系の安定性が損なわれ、発振などが発生する。反対に、想定される最も小さな慣性ＪＭＩＮを基準としてフィードバック系を設計すると、系の安定性は保証されるが、実際の慣性が基準慣性Ｊ０となったときの応答性が、Ｊ０を基準として最適化した系の応答性よりも劣ることとなる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態によって、ショベルの操作感が変化することを意味し、すなわち操作者に高度な操作技能と経験を要求することとなり好ましくない。
【０００９】
なおこの問題を当業者の一般的な認識としてとらえてはならず、本発明者が独自に認識したものである。
【００１０】
本発明は係る課題に鑑み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、さまざまな状況において安定性と応答性を両立しうる電動旋回装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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搭載され、走行機構に対して上部旋回体を旋回駆動させる電動旋回装置に関する。電動旋回装置は、旋回用電動機と、旋回用電動機の回転数を検出する回転角センサと、回転角センサにより検出された旋回用電動機の回転数が、目標回転数と一致するように指令値を生成するコントローラと、上部旋回体の慣性を推定し、推定された慣性に応じてコントローラの制御ゲインを調節する慣性推定器と、指令値にもとづいて旋回用電動機を駆動するインバータと、を備える。
【００１２】
産業車両では、上部旋回体がブーム、アーム、バケットなどの可動機構を有し、その慣性は、可動機構の状態、あるいはバケットに収容される物体の重量などに応じてダイナミックに変化する。この態様によると、そのときどきの慣性に応じて、ループゲインが一定となるようにコントローラの制御ゲインを調節できるため、さまざまな状況において安定性と応答性を両立できる。
【００１３】
コントローラはＰＩコントローラを含み、慣性推定器は、推定された慣性に応じて比例係数ＫＰを調節してもよい。
【００１４】
慣性の基準値Ｊ０に最適化された比例係数ＫＰの基準値ＫＰ０が定められてもよい。慣性の基準値Ｊ０からの変動量がΔＪであるとき、比例係数ＫＰは、ＫＰ０×（１＋ΔＪ／Ｊ０）であってもよい。
【００１５】
慣性推定器は、産業車両を統合的に制御する上位コントローラにより取得され、かつ上部旋回体から伸びるブーム、アーム、バケットの状態を示すデータにもとづいて、慣性を推定してもよい。
上位コントローラには、ブーム、アーム、バケットの各可動部の角度などの情報を有している。したがってそれらの情報を利用することで慣性を推定できる。
【００１６】
慣性推定器は、旋回用電動機のトルク指令値と、旋回用電動機の回転数にもとづいて、慣性を推定してもよい。
トルク指令値と旋回用電動機の回転数を利用することで、オブザーバーによって外乱トルクを推定でき、推定された外乱トルクおよび入力トルク（トルク指令値）から、慣性の変化量を推定できる。この場合、バケットに積載されるがれきや土砂などの重量も考慮した慣性を計算できる。
【００１７】
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】
【００１８】
本発明によれば、さまざまな状況において安定性と応答性を両立できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】電動旋回装置の電気系統の制御ブロック図である。
【図２】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３】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４】実施の形態に係る電動旋回装置の構成を示すブロック図である。
【図５】第１実施例に係る慣性推定器を備える電動旋回装置の制御ブロック図である。
【図６】ショベルを模式的に示す図である。
【図７】図７（ａ）は、比例係数ＫＰを基準値ＫＰ０に固定したときの、図７（ｂ）は、図５の電動旋回装置により比例係数ＫＰを変化させたときのシミュレーション波形図である。
【図８】第２実施例に係る慣性推定器を備える電動旋回装置の制御ブロック図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、推定外乱トルク＾τｄｉｓと推定慣性変動量＾ΔＪの関係を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）は、比例係数ＫＰを基準値ＫＰ０に固定したときの、図１０（ｂ）は、図８の電動旋回装置により比例係数ＫＰを変化させたときのシミュレーション波形図である。
【図１１】図８の電動旋回装置の別のシミュレーション波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図２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。
【００２２】
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。
【００２３】
図３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３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。
【００２４】
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。
【００２５】
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２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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
旋回用電動機２１は、図２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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
（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。
【００３５】
（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。
【００３６】
（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。
【００３７】
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。
【００３８】
（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
旋回体４の慣性Ｊは、ブーム５、アーム６、及びバケット１０などの可動機構の状態（つまり角度）に応じてダイナミックに変化する。加えて旋回体４の慣性Ｊは、バケット１０に積載されるがれきや土砂などの重量によっても変化する。以下では、旋回体４の慣性Ｊの変動にかかわらず、安定で良好な応答性を実現可能な電動旋回装置５００について説明する。
【００４２】
図４は、実施の形態に係る電動旋回装置５００の構成を示すブロック図である。電動旋回装置５００は、旋回用インバータ１８Ｃ、旋回用電動機２１、レゾルバ２２、コントローラ３０の一部であるインバータコントローラ３０Ｃを備える。
【００４３】
たとえば旋回用電動機２１は三相交流電動機であり、旋回用インバータ１８Ｃは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング回路を含む。
【００４４】
旋回用インバータ１８Ｃを構成するスイッチング回路は、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、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。
【００４５】
レゾルバ２２は、回転角センサの一種であり、図示しないＲＤコンバータおよびＣＰＵとともに、旋回用電動機２１の回転数ωｒｅｓを検出する。コントローラ３０Ｃは、検出された旋回用電動機２１の回転数ωｒｅｓにもとづいて、駆動信号Ｓ８を生成する。インバータ１８Ｃは駆動信号Ｓ８にもとづいて、旋回用電動機２１を駆動する。
【００４６】
インバータコントローラ３０Ｃは、誤差検出器３１、ＰＩコントローラ３２、駆動信号生成部４０、慣性推定器５０を備える。
【００４７】
誤差検出器３１は、旋回用電動機２１の旋回速度ωｃｍｄを指示する速度指令値Ｓ４から旋回速度値Ｓ３を減算し、それらの偏差を出力する。速度指令値Ｓ４は例えば操作装置２６の操作量に応じた指令値である（図３参照）。
【００４８】
ＰＩコントローラ３２は、誤差検出器３１から出力された偏差にもとづいて、旋回用電動機２１の回転速度ωｒｅｓを速度指令値ωｃｍｄに近づけて偏差が小さくなるようにＰＩ制御を行い、レゾルバ２２により検出された旋回用電動機２１の回転数ωｒｅｓが、目標回転数ωｃｍｄと一致するように値が調節されるトルク電流指令値Ｓ５を生成する。ＰＩコントローラ３２には、パラメータとして、比例係数ＫＰ、積分係数Ｔｉが設定される。本実施の形態において、比例係数ＫＰは可変であり、後述する慣性推定器５０によって設定される。
【００４９】
駆動信号生成部４０は、トルク電流指令値Ｓ５を、設定されたキャリア周波数でパルス幅変調（Pulse Width Modulation）することにより、インバータ１８Ｃの各相のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）に対する駆動信号（ゲート駆動パルス）Ｓ８を生成する。駆動信号生成部４０の前段にはトルクリミッタが設けられてもよい。
【００５０】
慣性推定器５０は、旋回体４の慣性Ｊを推定し、推定された慣性Ｊに応じてＰＩコントローラ３２の制御ゲインを調節する。以下、慣性推定器５０による比例係数ＫＰの制御について、いくつかの実施例をもとに説明する。
【００５１】
（第１実施例）
図５は、第１実施例に係る慣性推定器５０ａを備える電動旋回装置５００ａの制御ブロック図である。
【００５２】
慣性推定器５０ａは、ショベル１を統合的に制御する上位コントローラにより取得される情報、より具体的には、旋回体４から伸びるブーム５、アーム６、バケット１０の少なくともひとつの状態を示すデータにもとづいて、慣性Ｊを推定する。
【００５３】
図６は、ショベル１を模式的に示す図である。たとえば上位コントローラには、ブーム５、アーム６、バケット１０それぞれの角度θ０、θ１、θ２が保持される。旋回体４の慣性Ｊは、ブーム５、アーム６、バケット１０それぞれの角度θ０、θ１、θ２を引数とする関数で定義できる。
Ｊ＝ｆ（θ０、θ１、θ２）
図５に戻る。慣性推定器５０ａは、上位コントローラからのデータθ０、θ１、θ２を受け、関数ｆにもとづいて慣性Ｊを計算する。
【００５４】
旋回体４の慣性Ｊに基準値Ｊ０を定め、基準器Ｊ０に最適となるように定められたＰＩコントローラ３２の比例係数ＫＰを、基準比例係数ＫＰ０と呼ぶ。このとき慣性推定器５０ａは、ＫＰ＝ＫＰ０×Ｊ／Ｊ０から求まる値に設定してもよい。
【００５５】
図７（ａ）は、比例係数ＫＰを基準値ＫＰ０に固定したときの、図７（ｂ）は、図５の電動旋回装置５００ａにより比例係数ＫＰを変化させたときのシミュレーション波形図である。上段には慣性Ｊが、下段には速度指令ωｃｍｄおよび応答速度ωｒｅｓが示される。慣性Ｊは、０．３から１．０の範囲で台形状に変化している。
比例係数ＫＰは、慣性Ｊの最小値（ここでは０．３）において最適化されている。図７（ａ）に示すように、比例係数ＫＰを固定すると、慣性Ｊが最小値のときには、良好な応答が得られるが、慣性Ｊが大きくなると、速度指令ωｃｍｄおよび応答速度ωｒｅｓの誤差が大きくなってしまい応答性が損なわれることがわかる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態によって、ショベル１の操作感が変化することを意味し、すなわち操作者に高度な操作技能と経験を要求することとなり好ましくない。
【００５６】
これに対して実施の形態に係る電動旋回装置５００ａによれば、慣性Ｊに応じて比例係数ＫＰを変化させることで、図７（ｂ）に示すように、慣性Ｊの値によらずに速度指令ωｃｍｄに対して応答速度ωｒｅｓを良好に追従させることができる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態にかかわらず、ショベル１の操作感が変化しないことを意味し、操作者に要求される技能、経験を低減することができる。
【００５７】
（第２実施例）
第１実施例では、上位コントローラからの情報にもとづいて慣性Ｊを計算した。これに対して第２実施例では、コントローラ３０Ｃにおいて慣性Ｊを推定する。
はじめに慣性Ｊの推定の理論を説明する。図８は、第２実施例に係る慣性推定器５０ｂを備える電動旋回装置５００ｂの制御ブロック図である。
【００５８】
理想系における旋回体４の運動方程式として式（１）を得る。
Ｊ０・ω’＝τｉｎ
ω：回転角速度  （’は時間微分を表す）
τｉｎ：モータ入力トルク
【００５９】
現実的には、慣性Ｊは基準値Ｊ０から逸脱し、基準値Ｊ０からの変化量をΔＪとすると、慣性Ｊは以下の式で表すことができる。
Ｊ＝Ｊ０＋ΔＪ
【００６０】
また、現実の系における運動方程式として式（２）を得る。
Ｊ・ω’＝τｉｎ−τｄｉｓ      …（２）
Ｊは現実の慣性であり、τｄｉｓは、外乱トルクである。
【００６１】
式（１）、（２）から、以下の式を得る。
（Ｊ０＋ΔＪ）・ω’＝τｉｎ−τｄｉｓ
Ｊ０・ω’＋（ΔＪ＋τｄｉｓ／ω’）・ω’＝τｉｎ
左辺の（ΔＪ＋τｄｉｓ／ω’）・ω’を、オブザーバーによって推定するトルク（推定トルク）＾τｄｉｓとし、（ΔＪ＋τｄｉｓ／ω’）を＾ΔＪとおく。
【００６２】
Ｊ０・ω’＋＾ΔＪω’＝τｉｎ    …（３）
＾τｄｉｓ＝＾ΔＪ・ω’      …（４）
式（１）、（４）から式（５）を得る。
＾ΔＪ＝＾τｄｉｓ／（τｉｎ−＾τｄｉｓ）・Ｊ０      …（５）
【００６３】
つまり外乱トルクτｄｉｓを推定すれば、その値から式（５）にもとづいて慣性Ｊの変動量ΔＪを推定することができる。
【００６４】
図９（ａ）、（ｂ）は、推定外乱トルク＾τｄｉｓと推定慣性変動量＾ΔＪの関係を示す図である。図９（ａ）は、ω＞０のとき、図９（ｂ）は、ω＜０のときの関係であり、それらは左右対称である。また図中の一点鎖線は式（５）を示す。慣性推定器５０ｂは、一点鎖線の式（５）のΔＪをそのまま用いるのではなく、図９に実線で示す関係を用いることが望ましい。
【００６５】
τｄｉｓ＞ｋ・τｉｎとなる領域（A）では、＾ΔＪ＝ΔＪｍａｘである。ｋは、補償すべき最大慣性ΔＪｍａｘから定まる係数である。
また、＾τｄｉｓ＜０の領域（B）では、外部からアシストされていることと等価であるため、ΔＪ＝０とする。
それらの間の領域（C）では、式（５）が用いられる。
【００６６】
図８に戻る。続いて慣性推定器５０ｂによる外乱トルクτｄｉｓの推定を説明する。たとえば慣性推定器５０ｂは、式（６）にもとづいて推定外乱トルク＾τｄｉｓを計算する。
＾τｄｉｓ＝ｇｏｂ／（ｓ＋ｇｏｂ）×（τｉｎ−Ｊ０ｓω）
＝ｇｏｂ／（ｓ＋ｇｏｂ）×（τｉｎ−ｇｏｂＪ０ω）−ｇｏｂＪ０ω      …（６）
ただし、ｇｏｂはオブザーバゲインである。
【００６７】
また入力トルクτｉｎの推定値は、式（７）で計算される。
＾τｉｎ＝ｇｏｂ／（ｓ＋ｇｏｂ）×τｉｎ      …（７）
【００６８】
式（６）、（７）から計算されるトルク＾τｉｎ、＾τｄｉｓを式（５）に代入することで、慣性Ｊの変動量ΔＪを推定できる。慣性推定器５０ｂは、式（８）にしたがって比例係数ＫＰを設定する。
ＫＰ＝ＫＰ０×（１＋ΔＪ／Ｊ０）
以上が電動旋回装置５００ｂの構成である。
【００６９】
図１０（ａ）は、比例係数ＫＰを基準値ＫＰ０に固定したときの、図１０（ｂ）は、図８の電動旋回装置５００ｂにより比例係数ＫＰを変化させたときのシミュレーション波形図である。上段には慣性Ｊが、下段には速度指令ωｃｍｄおよび応答速度ωｒｅｓが示される。慣性Ｊは、０．３から１．０の範囲で台形状に変化している。図１０（ａ）は、図７（ａ）と同じである。
【００７０】
電動旋回装置５００ｂによれば、慣性Ｊに応じて比例係数ＫＰを変化させることで、図１０（ｂ）に示すように、慣性Ｊの値によらずに速度指令ωｃｍｄに対して応答速度ωｒｅｓを良好に追従させることができる。このことは、ブーム、アーム、バケットの状態にかかわらず、ショベル１の操作感が変化しないことを意味し、操作者に要求される技能、経験を低減することができる。
【００７１】
図１１は、図８の電動旋回装置５００ｂの別のシミュレーション波形図である。図１１には上から順に、慣性Ｊおよびその推定値＾Ｊ、速度指令ωｃｍｄおよび速度応答ωｒｅｓ、が示される。図１１に示すように、図８の慣性推定器５０ｂによれば、慣性Ｊを正しく推定できていることがわかる。
【００７２】
第１実施例では、バケットに積載されるがれきや土砂の重量を考慮することが難しい。これに対して第２実施例では、バケットの積載重量による慣性の変動量ΔＪも考慮することができるという利点もある。
【００７３】
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。
【００７４】
（第１変形例）
実施の形態では、コントローラ３０ＣがＰＩコントローラ３２を含む場合を説明したが、ＰＩコントローラ３２に代えて、ＰＩＤコントローラ、あるいはＰコントローラを含んでもよい。
【００７５】
（第２変形例）
実施の形態では、ＰＩコントローラ３２の比例係数ＫＰを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。たとえば駆動信号生成部４０が、トルク指令τｉｎを目標量として旋回用電動機２１のトルク（電流）を制御するフィードバック系で構成される場合、駆動信号生成部４０も、ＰＩコントローラあるいはＰＩＤコントローラを含む場合がある。この場合、駆動信号生成部４０のコントローラの係数を、推定される慣性Ｊにもとづいて調節してもよい。
【００７６】
（第３変形例）
慣性推定器５０における慣性Ｊの推定方法は、実施例１、実施例２に説明したものには限定されず、当業者によればその他の方法によっても慣性Ｊを推定しうることが理解される。
【００７７】
（第４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。
【符号の説明】
【００７８】
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…インタフェース回路、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コントローラ、４０…駆動信号生成部、５０…慣性推定器、５２…制御対象、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】
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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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