(57)【要約】【課題】急操作を行った場合に発生するジャークを簡単な制御で確実に低減させ、ショックを解消するアクチュエータ制御装置を提供する。【解決手段】作業機械の可動部を駆動するアクチュエータ６と、このアクチュエータ６を操作するための操作レバーと、この操作レバーの操作指令に応じてアクチュエータを制御するコントローラ９とを備えてなる作業機械において、コントローラ９が、操作レバーの操作量に応じてアクチュエータの目標速度を演算する目標速度演算部９ａと、演算された目標速度を２階微分することによりジャーク予測値を演算し、演算されたジャーク予測値が所定値を上回るかどうかを判断し、ジャーク予測値が所定値を超えると判断された場合にジャーク予測値が所定値以下となるように目標速度を修正するジャーク制限処理部９ｂとを備えてなることを特徴とする。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機械の可動部を駆動するアクチュエータと、このアクチュエータを操作するための操作体と、この操作体の操作指令に応じて上記アクチュエータを制御するコントローラとを備えてなる作業機械において、
上記コントローラが、上記操作体の操作量に応じて上記アクチュエータの目標速度を演算する目標速度演算部と、演算された目標速度を２階微分することによりジャーク予測値を演算するジャーク予測値演算部と、演算されたジャーク予測値が所定値を上回るかどうかを判断する判断部と、ジャーク予測値が所定値を超えると判断された場合にジャーク予測値が所定値以下となるように目標速度を修正する目標速度修正部とを備えてなることを特徴とする作業機械のアクチュエータ制御装置。
【請求項２】
作業機械の可動部を駆動するアクチュエータと、このアクチュエータを操作するための操作体と、この操作体の操作指令に応じて上記アクチュエータを制御するコントローラとを備えてなる作業機械において、
上記コントローラが、上記操作体の操作量に応じて上記アクチュエータの目標速度を演算する目標速度演算部と、演算された目標速度を２階微分することによりジャーク予測値を演算するジャーク予測値演算部と、演算されたジャーク予測値が所定値を上回るかどうかを判断する判断部と、ジャーク予測値が所定値を超えると判断された場合に上記アクチュエータの駆動力の最大値を制限する駆動力制限部とを備えてなることを特徴とする作業機械のアクチュエータ制御装置。
【請求項３】
上記所定値を変更する所定値変更手段が備えられている請求項１または２記載の作業機械のアクチュエータ制御装置。
【請求項４】
上記目標速度演算部は、操作体の操作量に対しマップまたは関数式により静的な速度特性を与えるものであり、この速度特性に対して動的な遅れを与える遅れ付加部が設けられている請求項１〜３のいずれかに記載の作業機械のアクチュエータ制御装置。
【請求項５】
上記アクチュエータが電動機である請求項１〜４のいずれかに記載の作業機械のアクチュエータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作業機械のアクチュエータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、オペレータが操作レバーを操作することにより各種作業を行う作業機械の多くはアクチュエータとして油圧シリンダや油圧モータを使用している。
【０００３】
この種の作業機械では、油圧ポンプに接続されているコントロールバルブをリモコン弁からのパイロット圧で切り換え、そのコントロールバルブによって流量および方向が制御された作動油をアクチュエータに供給しているが、リモコン弁の操作レバーを急操作するとショックが発生し、作業の安定性が損なわれたり、操作性が低下するという問題がある。また、そのショックによって発生した振動が原因で機械が故障することもある。
【０００４】
そこで、このようなショックを低減させるために、例えばショックレスリリーフ弁などの公知の技術が導入されている。
【０００５】
一方、上記した油圧駆動システムではコントロールバルブ内の抵抗、給排管路の圧損、余剰流量の発生等によってエネルギ効率が低いという問題があることから、最近ではアクチュエータに電動機を使用することでエネルギ効率を向上させるようにしたものもある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この公報に記載の「建設機械の旋回駆動装置」では、上部旋回体を旋回させる旋回モータに電動機を使用している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１１８９７号公報（第３頁、図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アクチュエータに電動機を使用すると、エネルギ効率が向上する反面、レバー操作に対するアクチュエータの応答性が油圧駆動システムに比べて敏感となりすぎる傾向がある。当然、操作レバーを急操作したときのショックも大きくなる。したがって電動駆動システムでは油圧駆動システムよりもより確実にショックを低減させる必要がある。
【０００９】
この電動駆動システムでは、電動機の速度制御にトルク制御を併用し最大トルクを抑制する公知技術がある。ところが、この技術を用いた場合でも、急操作を行なった場合にはトルクの変動が大きく、このトルク変動によって加速度変動、すなわちジャーク値が大きくなり、ショックが発生してしまう。
【００１０】
なお、アクチュエータの速度をＳ字状カーブを描くように変化させてショックを低減する公知技術も知られているが、操作レバーの操作によってアクチュエータ速度を変化させるシステムでは、操作レバーを急操作した場合と緩慢操作した場合とで同様のＳ字状特性が与えられることになるため、急操作時にはショック低減効果が不十分であったり、緩慢操作時には応答性が低下するという問題がある。
【００１１】
さらに、ショックを低減させるための制御が複雑になると、制御系に遅れが生じて実際のジャーク値がジャーク予測値を上回る可能性があり、急操作時にジャークを低減させる目的が果たせなくなる。
【００１２】
本発明は以上のような従来の作業機械における課題を考慮してなされたものであり、急操作時に生じる望ましくないジャークを簡単な制御で確実に低減させ、ジャークに伴うショックを低減させることのできるアクチュエータ制御装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、作業機械の可動部を駆動するアクチュエータと、このアクチュエータを操作するための操作体と、この操作体の操作指令に応じてアクチュエータを制御するコントローラとを備えてなる作業機械において、コントローラが、操作体の操作量に応じてアクチュエータの目標速度を演算する目標速度演算部と、演算された目標速度を２階微分することによりジャーク予測値を演算するジャーク予測値演算部と、演算されたジャーク予測値が所定値を上回るかどうかを判断する判断部と、ジャーク予測値が所定値を超えると判断された場合にジャーク予測値が所定値以下となるように目標速度を修正する目標速度修正部とを備えてなる作業機械のアクチュエータ制御装置である。
【００１４】
本発明に従えば、操作体を操作すると、操作量に応じた目標速度が演算され、その目標速度からジャーク値が予測され、予測されたジャーク値が所定値を超えると判断された場合はジャーク値が所定値を超えないように目標速度が修正される。それにより、操作体を急操作した場合であってもジャーク値は常に所定値以下に低減され、ショックが低減される。
【００１５】
また、本発明は、上記の作業機械において、コントローラが、操作体の操作量に応じてアクチュエータの目標速度を演算する目標速度演算部と、演算された目標速度を２階微分することによりジャーク予測値を演算するジャーク予測値演算部と、演算されたジャーク予測値が所定値を上回るかどうかを判断する判断部と、ジャーク予測値が所定値を超えると判断された場合にアクチュエータの駆動力の最大値を制限する駆動力制限部とを備えてなる作業機械のアクチュエータ制御装置である。
【００１６】
本発明に従えば、予測されたジャーク値が所定値を超えると判断された場合はジャーク値が所定値を超えないように、アクチュエータの駆動力の最大値を制限するように構成したため、制御系の遅れの影響を受けることが少なくなり、実際のジャーク値が所定値よりも大きくなる虞れを解消することができる。この構成においても操作体を急操作した場合はジャーク値が常に所定値以下に低減され、ショックが低減される。
【００１７】
本発明において、上記所定値を変更する所定値変更手段を備えれば、オペレータがジャーク値を好みの値に調整することが可能になり、俊敏な応答性が必要な場合にも対応することができるようになる。
【００１８】
本発明において、上記目標速度演算部は、操作体の操作量に対しマップまたは関数式により静的な速度特性を与えるものであり、この速度特性に対して動的な遅れを与える遅れ付加部を設けることができる。速度特性に遅れを付加すれば、操作体の操作量が変化する始めにおけるジャークのピーク値を低減させると同時に、操作量が変化する終わりにおけるジャークのピーク値も低減させることができるため、これに伴うショックを低減させることができる。
【００１９】
本発明において、上記アクチュエータを電動機で構成することができる。作業機械のアクチュエータとして使用される電動機とは例えば、建設機械の上部旋回体を旋回させる旋回モータ、ウインチの巻上、巻下を行うウインチモータ、下部走行体の駆動源としての走行モータ等が示される。
【００２０】
本発明に従えば、アクチュエータを電動機で構成することによって油圧駆動方式と比較して応答性が敏感になる場合であっても、ジャークを効果的に低減し、それに伴うショックを低減させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明のアクチュエータ制御装置が適用される油圧ショベルを示したものである。
【００２３】
同図において、油圧ショベルは下部走行体１上に上部旋回体２を搭載しており、この上部旋回体２は回転軸Ｒ．Ａまわりに旋回できるように構成されている。
【００２４】
上部旋回体２の前部にはフロントアタッチメント３が備えられている。このフロントアタッチメント３は、ブーム３ａおよびそのブーム３ａを起伏動作させるブームシリンダ３ｂと、アーム３ｃおよびそのアーム３ｃを回動動作させるアームシリンダ３ｄと、バケット３ｅおよびそのバケット３ｅを回動動作させるバケットシリンダ３ｆとから構成されている。
【００２５】
このフロントアタッチメント３の左側にはキャビン４が配置されている。キャビン４の後方には図示しないエンジン、油圧機器、タンク等が配置され、機器カバー５でカバーされている。
【００２６】
図２は、上記油圧ショベルに搭載されるアクチュエータ制御装置の第一実施形態を示したものである。
【００２７】
ＡＣサーボモータまたはＤＣサーボモータからなる電動機６の出力軸には減速機７が接続され、この減速機７の回転軸に負荷慣性（具体的には回転系としての旋回体、ウインチ、走行系としての走行体等）８が接続されている。
【００２８】
コントローラ９はインバータ１０ａに対して回転数信号Ｓ１を与えるようになっており、そのインバータ１０ａによって電動機６が回転制御され、電動機６の回転数はエンコーダ１１によって検出され、検出された回転数は信号Ｓ２としてコントローラ９にフィードバックされる。
【００２９】
１２はオペレータが電動機６の回転速度を操作するための操作レバー（操作体）である。
【００３０】
また、電動機６を駆動するための電力供給源としては、エンジン１３によって駆動される発電機１３ａ、バッテリ１４、キャパシタ１５などを組み合わせて用いることとする。なお、１６ａは交流を直流に変換するコンバータ、１６ｂおよび１６ｃは電圧を昇圧または降圧するための直流−直流コンバータである。
【００３１】
なお、本実施形態では油圧ショベルに発電機１３ａを搭載し、バッテリ１４に蓄電する構成であるが、これに限らず、外部電源より電力の供給を受けるようにしたものであってもよい。
【００３２】
また、３ｂはブームシリンダであり、フロントアタッチメント３のアクチュエータを代表して示したものである。
【００３３】
１７はそのブームシリンダ３ｂに圧油を供給する油圧ポンプであり、１８はその油圧ポンプ１７を駆動するための別の電動機である。
【００３４】
１９はブームシリンダ３ｂの速度、圧力を調整するための油圧回路であり、１０ｂはインバータである。
【００３５】
なお、上記ブームシリンダ３ｂは油圧回路１９から供給される圧油によって駆動されるものである。従って、この別の電動機１８は回転系を駆動するものでない。
【００３６】
次に、上記コントローラ９における制御フローについて図３を参照しながら説明する。
【００３７】
コントローラ９は、操作レバー１２の操作量Ｓを受け、操作量Ｓと目標速度ωｒｅｆとを関連づけるレバー−速度マップ９ａを与えることによって、換言すれば時間要素を含まない静的な速度特性を与えることによって目標とする速度を演算する。以下、演算された目標速度を目標演算速度値ωｒｅｆと呼ぶ。
【００３８】
なお、目標速度を演算する方法としては上記したマップ９ａを使用する以外に例えば、目標速度を計算するための関数式に操作量Ｓを代入することによって目標演算速度値ωｒｅｆを求めることもできる。上記マップ９ａ，関数式は目標速度演算部として機能する。
【００３９】
この目標演算速度値ωｒｅｆは、ジャーク制限処理部９ｂに与えられ、このジャーク制限処理部９ｂから出力される修正目標速度ωｍｒｅｆに対して電動機６の速度が追従するようにＰＩＤ９ｃによる速度フィードバック制御を行う。上記ジャーク制限処理部９ｂは、ジャーク予測値演算部、判断部、目標速度修正部として機能する。
【００４０】
また、９ｄは後述する所定値の設定をオペレータが変更するための所定値設定部（所定値変更手段）である。
【００４１】
上記ジャーク制限処理部９ｂの制御フローについて図４を参照しながら説明する。
【００４２】
ジャーク制限処理では、目標速度を２階微分することによりジャーク予測値を演算する。具体的には、与えられた目標速度演算値ωｒｅｆと、コントローラ９の作業バッファ内に記憶されている制御サンプル１回前の目標速度ωｉ−１および２回前の目標速度ωｉ−２より、次式を用いてジャーク予測値ω′を演算する（ステップＳ１）。
【００４３】
ω′＝（ωｒｅｆ−２ωｉ−１＋ωｉ−２）／ｄｔ２　　　（１）
ここで、ｄｔはサンプリング時間である。さらに、演算されたジャーク予測値が所定値ω′ｌｉｍを超えるかどうかを判断し（ステップＳ２）、かつレバー操作量が変化している状態において、すなわちステップＳ３においてｙｅｓであれば、修正目標速度ωｍｒｅｆを次式のように計算する（ステップＳ４）。
【００４４】
ωｍｒｅｆ＝ωｉ−１＋Δω　　　　　　　　　　　　（２）
ここで、Δωは制御サンプル１回前の目標速度ωｉ−１からの増分量であり、この値は修正目標速度ωｍｒｅｆを用いた場合のジャーク値が所定値ω′ｌｉｍを超えないような値とすればよく、例えば（３）式のような値を用いる。
【００４５】
Δω＝ｄｔ２　ω′ｌｉｍ＋ωｉ−１−ωｉ−２　　　　　　（３）
なお、ステップＳ２においてＮｏ、すなわちジャーク予測値が所定値ω′ｌｉｍを超えていなければ、目標速度ωｒｅｆをそのまま修正目標速度ωｍｒｅｆとして出力する（ステップＳ５）。
【００４６】
上記所定値ω′ｌｉｍは例えば、油圧駆動システムの最大ジャーク値と等しい値か、またはそれ以下の値を設定するものとする。
【００４７】
次に、上記制御によって得られる応答特性を従来のそれと比較して説明する。
【００４８】
図５（ａ）は従来の応答特性を示しており、図５（ｂ）は本実施形態による応答特性を示している。
【００４９】
従来の応答特性において図（ａ−１）はレバー操作量の変化を示し、図５（ａ−２）はレバー操作されたときの目標速度の変化を示し、図５（ａ−３）はレバー操作されたときの加速度の変化を示し、図５（ａ−４）はレバー操作されたときに発生するジャークを示したものである。
【００５０】
図５（ａ）の各図に示すように、従来のレバー操作ではレバー操作変化の始め（時間ｔ１）およびレバー操作変化の終わり（時間ｔ２）において、大きなジャーク値のピークω′ｍａｘ、ω′ｍｉｎが発生しており、これに伴って大きなショックが発生していた。
【００５１】
これに対して本発明ではレバー操作に対して目標速度演算値ωｒｅｆを求め、そのωｒｅｆを用いて（１）式によりジャーク予測値を求め、ジャーク予測値が所定値ω′ｌｉｍを超えるときに（２）式により修正目標速度を計算し、これによりジャーク値を所定の値ω′ｌｉｍ以下に制限するように構成したため、図（ｂ−４）に示すように、レバー操作変化の始め（時間ｔ１）におけるジャーク値ω′ｍａｘが従来（図（ａ−４）参照）と比較して大きく低減され、それにより、ショックを減少させることが可能になる。
【００５２】
図６は、図３に示したアクチュエータ制御装置の変形例を示したものである。
【００５３】
なお、図３と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
図６に示すアクチュエータ制御装置は、レバー−速度マップ９ａとジャーク制限処理部９ｂとの間に、遅れ要素付加部９ｅが設けられている。この遅れ要素付加部９ｅを設けたことによる応答特性を図７に示す。
【００５５】
図７（ａ）はレバー操作量の変化を示し、同図（ｂ）はレバー操作されたときの目標速度の変化を示し、同図（ｃ）はレバー操作されたときの加速度の変化を示し、同図（ｄ）はレバー操作されたときに発生するジャークを示したものである。
【００５６】
図７の各図において、レバー操作変化の始め（時間ｔ１）は、上記第一実施形態の図５（ｂ−４）で説明した効果と同様の効果によってジャークが所定の値以下に低減される。
【００５７】
また、レバー操作変化の終わり（時間ｔ２）におけるジャーク値は、遅れ要素がないとすると、図５（ｂ−２）に示したように速度が直ちに一定となるため、図５（ｂ−３）に示したように加速度が直ちにゼロとなる（加速度特性において瞬時に立ち下がる）ため、その加速度の微分値であるジャークが時間ｔ２において負の大きな値になる。
【００５８】
これに対し、遅れ要素付加部９ｄによって時間要素を含む動的な遅れ要素を付加すると、図７（ｂ）に示すように、時間ｔ２において速度が直ちに一定とならないため、図７（ｃ）に示すように加速度も直ちにゼロにならずなだらかに減少していく。その結果、加速度の微分値であるジャーク値についても時間ｔ２では負の大きな値となることがなく、ジャーク値ω′ｍｉｎを低減する効果が得られる（図７（ｄ）参照）。
【００５９】
このように遅れ要素を付加すれば、レバー操作変化の始め（時間ｔ１）およびレバー操作変化の終わり（時間ｔ２）でのジャーク値をともに低減させることができるため、これに伴うショックをより効果的に低減させることができる。
【００６０】
また、図８は本発明の第二実施形態に係るアクチュエータ制御装置を示したものである。
【００６１】
この構成が図３と異なる点は、コントローラ９のジャーク制限処理部９ｂが第２ジャーク制限処理部９ｆに置き換えられていることである。それ以外の構成については図３と同じ構成である。
【００６２】
図８に示す第２ジャーク処理部９ｆは、ジャーク予測値が所定値ω′ｌｉｍを超え、かつレバー操作量が変化している場合にトルク制限値τｌｉｍを次式により計算する。
【００６３】
τｌｉｍ＝τｉ−１＋Δτ　　　　　（４）
ここで、τｉ−１は制御サンプルの１回前における電動機トルクであり、Δτはトルク増分量である。
【００６４】
このトルク増分量は例えば下式（５）のように与えられる。
【００６５】
Δτ＝Ｊω′ｌｉｍ　ｄｔ　　　　　　　　　　（５）
ただし、Ｊは慣性モーメントである。
【００６６】
上記第２ジャーク処理部９ｆの制御フローについて図９を参照しながら説明する。
【００６７】
コントローラ９は、操作レバー１２の操作量Ｓを受けて、操作量Ｓと目標速度ωｒｅｆとを関連づけるレバー−速度マップ９ａを用い、目標とする速度ωｒｅｆを演算する。
【００６８】
演算された目標演算速度値ωｒｅｆは第２ジャーク制限処理部９ｅに与えられ、第２ジャーク制限処理部９ｅは、まず、ジャーク予測値を演算し（ステップＳ６）、演算されたジャーク予測値が所定値ω′ｌｉｍを超えるかどうかを判断し（ステップＳ７）、かつレバー操作量が変化している状態、すなわちステップＳ８においてｙｅｓであれば、上述した（４）式を用いてトルク制限値τｌｉｍを演算し、演算されたτｌｉｍを用いてインバータ１０ａを制御する。
【００６９】
このトルク制限値τｌｉｍとは、具体的には、コントローラ９から出力されるモーター電流最大値制限信号である。
【００７０】
なお、ステップＳ７においてＮｏ、すなわちジャーク予測値が所定値を超えていなければ、インバータ１０ａに対してトルク制限を与えない。
【００７１】
このように駆動力の最大値を制限することによっても、操作レバーを急操作したときのジャーク値を低減させることができ、それによりショックの発生を防止することができる。
【００７２】
なお、図８に示した構成において、第２ジャーク制限処理部９ｆおよびインバータ１０ａは、アクチュエータの駆動力の最大値を制限する駆動力制限部として機能する。
【００７３】
また、オペレータは所定値設定部９ｄによって所定値を変更することができ、例えば、多少のショックが伴ってもアクチュエータの速度を優先させたい場合には、所定値を高く設定することにより、機敏な操作を行うことが可能になる。
【００７４】
また、上記実施形態ではアクチュエータが電動機である構成について説明したが、アクチュエータが油圧シリンダ等の油圧機器である場合、演算されたジャーク予測値が所定値を上回るときにその油圧機器に圧油を供給する油圧ポンプの流量を制限することで急操作時にアクチュエータがショックを発生しないよう間接的に制御することができる。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、請求項１の本発明によれば、操作体の操作量に応じて目標速度が演算され、その目標速度からジャーク値が予測され、予測されたジャーク値が所定値を超えると判断された場合はジャーク値が所定値を超えないように目標速度を修正するように構成したため、操作体を急操作した場合であってもジャーク値が常に所定値以下に低減され、ショックの発生を防止することができる。
【００７６】
請求項２の本発明によれば、予測されたジャーク値が所定値を超えると判断された場合はジャーク値が所定値を超えないようにアクチュエータの駆動力の最大値を制限するように構成したため、操作体を急操作した場合であっても制御系の遅れの影響を受けることなくジャーク値が常に所定値以下に低減され、ショックを低減させる効果が得られる。
【００７７】
請求項３の本発明によれば、上記所定値を変更することができるように構成したため、オペレータがジャーク値を好みの値に調整することが可能になり、俊敏な応答性が必要な場合にも対応することができるようになる。
【００７８】
請求項４の本発明によれば、演算された目標速度に応答遅れを付加するように構成したため、操作体の操作量が変化する始めにおけるジャークのピーク値を低減させると同時に、操作量が変化する終わりにおけるジャークのピーク値も低減させることができ、これに伴うショックを低減させることができる。
【００７９】
請求項５の本発明によれば、アクチュエータを電動機で構成することによって油圧駆動方式と比較して応答性が敏感になる場合であっても、ジャークを効果的に低減し、それに伴うショックを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータ制御装置が適用される油圧ショベルの外観図である。
【図２】本発明のアクチュエータ制御装置の構成を示す説明図である。
【図３】アクチュエータ制御装置の第一実施形態を示すブロック図である。
【図４】第一実施形態による制御内容を示すフローチャートである。
【図５】（ａ）は比較例としての応答特性、（ｂ）は第一実施形態による応答特性を示す特性図である。
【図６】第一実施形態の変形例を示すブロック図である。
【図７】図６に示す変形例による応答特性を示す特性図である。
【図８】アクチュエータ制御装置の第二実施形態を示すブロック図である。
【図９】第二実施形態による制御内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　下部走行体
２　上部旋回体
３　フロントアタッチメント
４　キャビン
５　機器カバー
６　電動機
７　減速機
８　負荷慣性
９　コントローラ
９ａ　レバー−速度マップ
９ｂ　ジャーク制限処理部
９ｃ　ＰＩＤ
９ｄ　所定値設定部
９ｅ　遅れ要素付加部
９ｆ　第二ジャーク制限処理部
１０ａ　インバータ
１１　エンコーダ
１２　操作レバー
１３　エンジン
１３ａ　発電機
１４　バッテリ
【図１】
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【図２】
2004137702.tif 000004
【図３】
2004137702.tif 000005
【図４】
2004137702.tif 000006
【図５】
2004137702.tif 000007
【図６】
2004137702.tif 000008
【図７】
2004137702.tif 000009
【図８】
2004137702.tif 000010
【図９】
2004137702.tif 000011