(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建設機械の回転系を駆動する電動機と、この電動機の作動を指令する操作体と、この操作体の操作指令に応じて上記電動機を制御するコントローラとを備えてなる建設機械において、
上記コントローラが、油圧式回転駆動装置の動特性をリアルタイムでシミュレーションするエミュレーションモデルを有し、上記操作体の操作指令に応じてそのエミュレーションモデルにより制御目標値を演算し、上記電動機を制御するように構成されていることを特徴とする建設機械の回転駆動装置。
【請求項２】
上記エミュレーションモデルは、油圧機器としての油圧ポンプ、油圧アクチュエータ、各種バルブの諸元を個別に有している請求項１記載の建設機械の回転駆動装置。
【請求項３】
上記コントローラに入力部が接続されており、この入力部を介して上記エミュレーションモデル内の上記各諸元を変更することができるように構成されている請求項２記載の建設機械の回転駆動装置。
【請求項４】
上記エミュレーションモデルは、上記バルブとして流量制御弁または圧力制御弁の非線形特性を有している請求項２または３記載の建設機械の回転駆動装置。
【請求項５】
上記電動機の動力源として、外部電源、内蔵バッテリー、エンジンにより駆動される発電機、或いはキャパシタのいずれか一つまたは複数が選択される請求項１〜４のいずれかに記載の建設機械の回転駆動装置。
【請求項６】
上記回転系が、旋回モータを駆動源とする旋回系、ウインチモータを駆動源とする巻上系、或いは走行モータを駆動源とする走行系の少なくとも一つを有する請求項１〜５のいずれかに記載の建設機械の回転駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機で回転系を駆動する建設機械の回転駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建設機械のアクチュエータとしては一般に油圧アクチュエータ式が広く採用されている。しかしながら、この油圧アクチュエータを用いた油圧駆動システムでは、油圧ポンプから吐出される圧油の方向と流量を制御するコントロールバルブで抵抗が発生し、また、配管では圧損が発生し、さらにまた回路に余剰流量が発生するなどしてエネルギ効率が低い。
【０００３】
そこで、エネルギ効率を高める方法として電動機をアクチュエータとして使用するものが知られている。
【０００４】
例えば特開2001−11897号公報に記載の「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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、建設機械のアクチュエータとして電動機を使用した場合、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。
【０００６】
例えば、レバー中間領域においてレバー操作によって速度変更を行なうと、電動機が急激に速度変化し、その結果、ハンチングを起こしたりショックが発生する。
【０００７】
また、電動機によってフロントアタッチメントを駆動している場合では、電動機が急停止するとそのアタッチメントが弾性変形し、揺れ戻しの発生する虞れがある。このように電動機の駆動に対してアクチュエータの応答性が敏感すぎるとかえって油圧駆動方式よりも操作性が悪くなるという不都合がある。
【０００８】
このような問題に対して、公知技術であるモデル追従制御を適用することができる。これは、目標とする応答性が得られるように、例えば、一次遅れ等の規範モデルを用い、この規範モデルの応答性に追従するようにアクチュエータを制御する技術である。
【０００９】
ところが、このような一般的なモデル追従制御では、規範モデルとして単純な一次遅れなどの線形モデルを用いているために、レバー操作に対して常に一定の応答遅れが現れる。その結果、急操作に対しても遅れが伴うこととなり急加速、急停止が行えないという問題が残る。
【００１０】
また、このような簡易な線形モデルでは、オペレータの好みに合わせて操作性をきめ細かくチューニングすることもできない。
【００１１】
本発明は以上のような従来のアクチュエータ駆動装置における課題を考慮してなされたものであり、電動機で回転系を駆動する駆動装置において、レバー中間領域で操作した場合には緩やかに応答し、レバーを急操作した場合には俊敏に応答する建設機械の回転駆動装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、建設機械の回転系を駆動する電動機と、この電動機の作動を指令する操作体と、この操作体の操作指令に応じて上記電動機を制御するコントローラとを備えてなる建設機械において、上記コントローラが、油圧式回転駆動装置の動特性をリアルタイムでシミュレーションするエミュレーションモデルを有し、上記操作体の操作指令に応じてそのエミュレーションモデルにより制御目標値を演算し、上記電動機を制御するように構成されている建設機械の回転駆動装置である。
【００１３】
本発明に従えば、操作体を操作すると、コントローラはエミュレーションモデルを参照することにより、油圧式回転装置の動特性として例えば回転速度、駆動トルク、或いはその両方をリアルタイムでシミュレートし、制御目標値を演算する。次いでその制御目標値を目標として電動機を例えば、速度制御、トルク制御或いはその両方で制御を行う。それにより、回転系を電動機で駆動させる場合であっても操作体の操作に対する応答性をほぼ油圧駆動方式と同等にすることができる。
【００１４】
本発明において、上記エミュレーションモデルは、油圧機器としての油圧ポンプ、油圧アクチュエータ、各種バルブの諸元を個別に有することが好ましい。
【００１５】
本発明において、上記コントローラに入力部を接続し、この入力部を介してエミュレーションモデル内の上記各諸元を変更することができるように構成することが好ましい。それにより、オペレータの好みに応じて操作性をきめ細かくチューニングすることが可能になる。
【００１６】
本発明において、上記エミュレーションモデルは、バルブとして流量制御弁または圧力制御弁の非線形特性を備えていることが好ましい。
【００１７】
この非線形特性を有することにより、レバー中間領域で操作が行われると、適当な応答遅れを発生させてハンチングや揺れ戻し、ショックの発生が防止され、また、急操作が行われると、応答遅れをほとんど発生させずに急加速、急停止させることができるようになる。
【００１８】
本発明において、上記建設機械の動力源としては、外部電源、内蔵バッテリー、エンジンにより駆動される発電機、或いはキャパシタのいずれか一つまたは複数が選択される。
【００１９】
本発明において、上記回転系の具体例としては、旋回モータを駆動源とする旋回系、ウインチモータを駆動源とする巻上系、走行モータを駆動源とする走行系の少なくとも一つを有することができる。
【００２０】
【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。
【００２１】
図１は、本発明のアクチュエータ駆動装置が適用される建設機械として油圧ショベルを示したものである。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。６は上部旋回体２を旋回させるための電動機であり、ＡＣサーボモータで構成されている。なお、電動機６はＤＣサーボモータで構成することもできる。この電動機は、上部旋回体２を旋回させる回転機構（旋回系）の駆動源として使用される。
【００２５】
図２は、上記油圧ショベルに搭載される回転駆動装置の構成を示したものである。
【００２６】
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、走行体等）８が接続されている。
【００２７】
コントローラ９はインバータ１０ａに対して回転数信号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としてコントローラ９にフィードバックされる。
【００２８】
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。
【００２９】
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、バッテリー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。
【００３０】
なお、本実施形態では油圧ショベルに発電機６を搭載し、バッテリー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。
【００３１】
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の一アクチュエータとして示したものである。
【００３２】
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。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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
コントローラ９は、操作レバー１２の操作量Ｓを受けてその内部に格納された油圧駆動方式エミュレーションモデル９ａを用い、油圧駆動方式の場合において操作量が与えられた場合のアクチュエータ回転速度ωaの演算を行う。
【００３６】
この演算された回転速度ωaより次式を用いて電動機の速度目標値ωrefを求める。
【００３７】
ωref＝ωa×Ｎ1／Ｎ2    ……(1)
ただし、Ｎ1は電動機系の減速比、Ｎ2は油圧系の減速比である。
【００３８】
このωrefを電動機６の速度目標値とし、ＰＩＤ９ｂによってＰＩＤ制御を行ない、エンコーダ１１から求められる回転速度ωと比較することにより、速度フィードバック制御を行う。
【００３９】
上記、油圧駆動方式エミュレーションモデルの内容を図４(ａ)に示す。
【００４０】
図４(ａ)において、エミュレーションモデルは、油圧ポンプ２０、油圧モータ２１、油圧モータ２１の出力軸に接続された減速機２２、減速機２２の回転軸に接続された回転慣性２３、油圧ポンプ２０から吐出される圧油の流量、方向を制御して油圧モータ２１に供給するコントロールバルブ２４、メインリリーフ弁２５、ポートリリーフ弁２６ａ，２６ｂ、チェック弁２７ａ，２７ｂ、バイパス弁２８より主として構成されている。なお、図は油圧モータ２１を正回転させる原理図を示している。
【００４１】
また、上記コントロールバルブ２４は、ブリードオフバルブ(B/O)２９、メータインバルブ(M/I)３０、メータアウトバルブ(M/O)３１より構成されている。なお、３２はタンクを示している。
【００４２】
このエミュレーションモデルでは図４(ｂ)に示すように、レバー操作量Ｓが大きくなるにつれてブリードオフ開口（同図のＢ／Ｏで示される曲線）が絞られる。これとは逆にメータイン開口（同図）のＭ／Ｉで示される曲線）およびメータアウト開口（同図のＭ／Ｏで示される曲線）は開かれる。この結果、油圧モータ２１に送り込まれる圧油流量が増加する。
【００４３】
このエミュレーションモデルの支配方程式を以下に示す。
【００４４】
0004099006.tif 000002
【００４５】
ここで、ＪL：負荷の慣性モーメント、Ｐ：圧力、Ｑ：流量、Ｋ：油体積弾性率、Ｖ：配管内容積、Ａ：面積、Ｌ：長さ、ＣV：流量係数、γ：油比重量、λ：管摩擦係数、Ｄ：配管径、Ｓ：操作レバー量、Ｎ：減速比、ｑ：油圧モータ容量、ｃ：チェック弁、ｒ：ポートリリーフ弁、ｒｐ：メインリリーフ弁、ｐｉ：配管部、１：上流側、２：下流側である。
【００４６】
上記式中において、油圧源である油圧ポンプ２０の諸元としては、油圧ポンプ流量Ｑpを(5)式中に与えるものとする。
【００４７】
アクチュエータの特性としては油圧モータ容量ｑを(2)式中に与える。
【００４８】
また、コントロールバルブ２４の特性としてはそのコントロールバルブ２４を構成するブリードオフバルブ２９、メータインバルブ３０、メータアウトバルブの各開口面積Ａbo，Ａmi，Ａmoと、レバー操作量Ｓとの関係を(6)式中に与える。
【００４９】
本実施形態のエミュレーションモデルでは、これらの支配方程式を連立させて、例えばNewmark−β法などの数値積分法を適用することで、時刻歴応答演算を行う。
【００５０】
次に、上記エミュレーションモデルの動作について図５〜図１０を参照しながら説明する。
【００５１】
図５はレバー操作量に対してマップ９ｃにより速度目標値を定め、速度フィードバック制御を行う従来の一般的な制御手法を比較例として示したものである。
【００５２】
この場合、図６の操作例に示すように、レバー中間領域において階段状にレバー操作を行うと、図７に示すように、速度目標値ωrefはレバー操作に対して急峻に変化する。
【００５３】
このため、電動機６の回転速度ωも急峻に変化してしまい応答性が過敏になる。その結果、ハンチングや停止時における揺れ戻し、或いはショックが発生し、操作性が悪化することになる。
【００５４】
これに対し、本実施形態による制御方法では、上記エミュレーションモデルによって油圧式駆動装置の動特性を模擬するように制御を行っている。
【００５５】
それにより、レバー中間領域において階段状にレバー操作を行った場合、図８に示すように速度目標値ωrefはレバー操作に対して油圧式駆動装置特有の遅れ特性を模擬するような波形を描く。
【００５６】
その結果、レバー操作に対して電動機６の速度変化が穏やかになり（グラフのω参照）、ハンチングや停止時における揺れ戻し、ショック等の発生することがなく、操作性を改善することができるようになる。
【００５７】
一方、図９に示すように、急加速、急減速操作を行った場合、従来の一次遅れを用いたモデル追従制御では、図１０に示すようにレバー中間領域での操作と同じく応答遅れが現れる（Ｌ1参照）。
【００５８】
これに対して、本実施形態による制御方法では、回路圧を一定に保つリリーフ弁２６ａ，２６ｂ（図４(ａ)参照）をエミュレーションモデルに含めているため、油圧駆動装置と同様に最大トルクでの加速、減速が行われる（Ｌ2参照）。
【００５９】
このように、本実施形態による制御方法によれば、レバー中間領域における操作では電動機６が緩やかに応答する一方、急レバー操作を行うと電動機６を俊敏に応答させることができるようになる。
【００６０】
なお、上述したエミュレーションモデルでは、目標回転数ωrefをエンコーダ１１から出力される回転数ωと比較したが、これに限らず、図１１に示す油圧駆動方式エミュレーションモデル９ａ′を用い、トルクを比較することもできる。
【００６１】
すなわち、レバー操作量が与えられた場合の油圧アクチュエータの駆動トルクは、
τref＝τa×Ｎ1／Ｎ2
このτrefを電動機６のトルク目標値とし、ＰＩＤ制御の制御則を用いたフィードバック制御を行うことによっても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、具体的にはトルク目標値τrefを電流値に変換した電流目標値ｉrefをインバータ１０ａから求められる電流ｉと比較することになる。
【００６２】
また、上記コントローラ９に入力部としてのスイッチまたはタッチパネル等を接続し、スイッチの切り換え操作、タッチパネル上の操作、或いはソフトを変更するなどにより、上記エミュレーションモデル内の例えばコントロールバルブ２４の諸元を適宜変更できるように構成してもよい。
【００６３】
このように変更が可能な構成とすることでオペレータの好みに応じ、操作性の特性を容易に変更することができるようになる。
【００６４】
【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、回転系を電動機で駆動するとともにその電動機の回転速度をコントローラで制御する建設機械において、コントローラに、油圧式回転駆動装置の動特性をリアルタイムでシミュレーションするエミュレーションモデルを有し、そのエミュレーションモデルから制御目標値を演算して電動機を制御するようにしたため、回転系を電動機で駆動させる場合であっても操作体の操作に対する応答性をほぼ油圧駆動方式と同等にすることができる。
【００６５】
請求項２および３の本発明によれば、上記エミュレーションモデルは、油圧機器としての油圧ポンプ、油圧アクチュエータ、各種バルブの諸元を個別に有し、各諸元については入力部を介して変更することができるように構成したため、オペレータの好みに応じて操作性をきめ細かくチューニングすることが可能になる。
【００６６】
請求項４の本発明によれば、上記エミュレーションモデルが、バルブとして流量制御弁または圧力制御弁の非線形特性を備えているため、この非線形特性を有することにより、レバー中間領域で操作が行われると、適当な応答遅れを発生させてハンチングや揺れ戻し、ショックの発生を防止し、また、急操作が行われると、応答遅れをほとんど発生させずに急加速、急停止させることができるようになる。
【００６７】
請求項５の本発明によれば、上記建設機械の動力源として、外部電源、内蔵バッテリ、エンジンにより駆動される発電機、或いはキャパシタのいずれか一つまたは複数を選択することができる。
【００６８】
請求項６の本発明によれば、旋回モータを駆動源とする旋回系、ウインチを駆動源とするウインチ系、或いは走行モータを駆動源とする走行系のいずれにも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転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】本発明の回転制御装置の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の制御フローを示す説明図である。
【図４】  (ａ)は図３に示すエミュレーションモデルの構成を示した回路図、(ｂ)は同モデルにおける各バルブ特性を示した図表である。
【図５】従来の制御フローを示す説明図である。
【図６】従来の制御による操作パターンの一例を示すグラフである。
【図７】従来の制御による電動機の速度応答波形を示すグラフである。
【図８】本発明の制御による電動機の速度応答特性を示すグラフである。
【図９】操作レバーの操作パターンの別の例を示すグラフである。
【図１０】図９の操作パターンに対する本発明の電動機の速度応答特性を示すグラフである。
【図１１】本発明の別の制御フローを示す説明図である。
【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  第１電動機
７  減速機
８  負荷慣性
９  コントローラ
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】
0004099006.tif 000003
【図２】
0004099006.tif 000004
【図３】
0004099006.tif 000005
【図４】
0004099006.tif 000006
【図５】
0004099006.tif 000007
【図６】
0004099006.tif 000008
【図７】
0004099006.tif 000009
【図８】
0004099006.tif 000010
【図９】
0004099006.tif 000011
【図１０】
0004099006.tif 000012
【図１１】
0004099006.tif 000013