JP2014505807A - ハイブリッド建設機械用旋回制御システム - Google Patents

Abstract

開示されるのはハイブリッド建設機械の旋回慣性を検出して装備の旋回慣性の変化とは無関係に一定の旋回加速度で旋回モータを駆動することのできる旋回制御システムである。
本発明によれば、ハイブリッド建設機械用旋回制御システムは、旋回操作レバーと、旋回操作レバーの操作によって駆動する電動式旋回モータと、旋回モータの回転速度を検出する速度感知センサと、旋回操作レバーの操作による旋回操作信号と速度感知センサからフィードバックされる回転速度の検出信号とによって旋回モータの駆動速度を算出する制御器と、制御器からの制御信号によって旋回モータを駆動するインバータと、作業装置の位置変化に応じて変化する装備の旋回慣性を検出して装備の慣性によるトルク補償値を出力する旋回慣性検出器と、旋回慣性検出器によって検出された装備の慣性によるトルク補償値と制御器からのトルク値とを比較して算出された旋回モータ制御用トルク値をインバータに出力する慣性トルク補償器と、を備える。

Description

本発明は、電動式旋回モータの駆動によって上部旋回体を旋回させるハイブリッド建設機械用旋回制御システムに係り、特に、装備の旋回慣性の変化とは無関係に一定の旋回加速度で旋回モータを駆動させることのできる旋回制御システムに関する。

近年、電気エネルギーによって駆動する電動式旋回モータを用いて、下部走行体に対して上部旋回体を旋回させる旋回装置が取り付けられるハイブリッド型掘削機などの建設機械が用いられている。

図１に示す従来の技術によるハイブリッド建設機械用旋回モータ制御システムは、運転者による操作量に比例して旋回操作信号を出力する旋回操作レバー（図示せず）と、旋回操作レバーの操作量に対応する電気的な制御信号によって駆動するときに上部旋回体を下部走行体に対して旋回させる電動式旋回モータ１と、旋回モータ１の回転速度を検出する速度センサ２と、旋回操作レバーの操作による旋回操作信号と、速度センサ２からフィードバックされる旋回モータ１の回転速度検出信号とによって旋回モータ１の駆動速度を算出する制御器３と、制御器３から送信される制御信号によって直流電流（ＤＣ）を交流電流（ＡＣ）に変換して旋回モータ１に供給するインバータ４と、を備える。

運転者の旋回操作レバーの操作による旋回操作信号と、速度センサ２からフィードバックされる旋回モータ１の回転速度検出信号とが制御器３にそれぞれ送信されることにより、制御器３によって旋回モータ１の駆動速度を算出してインバータ４に出力される制御用電流値によって旋回モータ１を駆動させることができる。

一方、掘削機を用いた積載作業のように、装備の旋回動作とブームなどの作業装置の駆動動作との複合動作の際、作業装置の位置変化に応じて装備の旋回慣性が変化し、装備の旋回慣性の変化によって装備の旋回加速度が変化する。

このとき、図２に示すように、装備の旋回加速度αは、装備の旋回慣性Ｊの変化に反比例して変化する（Ｊ∝１／α）。これは、運転者によって装備の旋回動作及び作業装置の駆動動作の複合動作を行うと、旋回作業の繰り返し性を維持する上で障害となって作業能率を低下させるという問題点を有する。

本発明の目的は、装備の旋回慣性の変化とは無関係に一定の旋回加速度を維持するように旋回モータを駆動させることにより、旋回作業の繰り返し性が向上して作業能率が向上するハイブリッド建設機械用旋回制御システムを提供することである。

本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムは、
ハイブリッド建設機械用旋回制御システムにおいて、
操作量に比例する旋回操作信号を出力する旋回操作レバーと、
旋回操作レバーの操作量に対応する電気的な制御信号によって駆動する電動式旋回モータと、
旋回モータの回転速度を検出する速度感知センサと、
旋回操作レバーの操作による旋回操作信号と、速度感知センサからフィードバックされる回転速度の検出信号とによって旋回モータの駆動速度を算出する制御器と、
制御器から送信される制御用電流値によって旋回モータを駆動させるインバータと、
作業装置の位置変化に応じて変化する装備の旋回慣性を検出して、装備の慣性によるトルク補償値を出力する旋回慣性検出器と、
旋回慣性検出器によって検出された装備の慣性によるトルク補償値と、制御器からのトルク値とを比較して算出された旋回モータ制御用トルク値をインバータに出力する慣性トルク補償器と、を備える。

本発明の好適な実施形態によれば、前述した旋回慣性検出器によって検出される装備の旋回慣性検出信号は、アナログまたはデジタル信号、および有線または無線通信、からそれぞれ選ばれるいずれか一つによって慣性トルク補償器に送信される。

前述した旋回慣性検出器は、作業装置用のそれぞれの油圧シリンダの位置変化値をリアルタイムで検出して、検出されたそれぞれの油圧シリンダの位置変化値の組み合わせを用いて装備の旋回慣性を検出する。

前述した旋回慣性検出器は、回転速度センサからフィードバックされる旋回モータの速度帰還値と電流帰還値とを比較して旋回モータの加速度値及びトルク値を予測し、これをリアルタイムで検出して慣性値を慣性トルク補償器に送信する。

本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムは、下記のメリットを有する。

装備の旋回慣性の変化に応じてトルクを補償して装備の旋回慣性の変化とは無関係に旋回モータが一定の旋回加速度を維持するように制御することにより、旋回作業の繰り返し性が向上して作業能率が向上する。

従来の技術によるハイブリッド建設機械用旋回制御システムの概略図である。 従来の技術によるハイブリッド建設機械用旋回制御システムにおける旋回モータの加速度と装備の慣性との相関関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムの概略図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムにおける旋回モータの加速度と装備の慣性との相関関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムを説明するための掘削機の概略図である。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述するが、これは本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が発明を容易に実施できる程度に詳細に説明するためのものであり、これにより本発明の技術的な思想及び範疇が限定されることはない。

図３乃至図５に示す本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムは、
ハイブリッド建設機械用旋回制御システムにおいて、
操作量に比例する旋回操作信号を出力する旋回操作レバー（図示せず）と、
旋回操作レバーの操作量に対応する電気的な制御信号によって駆動し、旋回操作レバーの操作量に対応する制御信号によって上部旋回体bを下部走行体aに対して旋回させる電動式旋回モータ１１と、
旋回モータ１１の回転速度を検出する速度感知センサ１２と、
旋回操作レバーの操作による旋回操作信号と、速度感知センサ１２からフィードバックされる回転速度の検出信号とによって旋回モータ１１の駆動速度を算出する制御器１３と、
制御器１３から送信される制御用電流値によって旋回モータ１１を駆動し、直流電流（ＤＣ）を交流電流（ＡＣ）に変換するインバータ１４と、
ブームと、アームと、バケット及びこれらをそれぞれ駆動する油圧シリンダから構成される作業装置cの位置変化に応じて変化する装備の旋回慣性を検出して、装備の慣性によるトルク補償値を出力する旋回慣性検出器１５と、
旋回慣性検出器１５によって検出された装備の慣性によるトルク補償値と、制御器１３からのトルク値とを比較して算出された旋回モータ制御用トルク値をインバータ１４に出力する慣性トルク補償器１６と、を備える。

このとき、図示はしないが、前述した旋回慣性検出器１５によって検出される装備の旋回慣性検出信号は、アナログまたはデジタル信号、および有線または無線通信、からそれぞれ選ばれるいずれか一つによって慣性トルク補償器１６に送信される。

前述した旋回慣性検出器１５は、作業装置用のそれぞれの油圧シリンダの位置変化値をリアルタイムで検出して、検出されたそれぞれの油圧シリンダの位置変化値の組み合わせを用いて装備の旋回慣性を検出する。

前述した旋回慣性検出器１５は、回転速度センサ１２からフィードバックされる旋回モータ１１の速度帰還値と電流帰還値とを比較して旋回モータ１１の加速度値及びトルク値を予測し、これをリアルタイムで検出して慣性値を慣性トルク補償器１６に送信する。

以下、本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムの使用例について詳述する。

図３及び図５に示すように、運転者の旋回操作レバーの操作量による旋回モータトルク値と、速度感知センサ１２からフィードバックされる旋回モータ１１の実際の駆動による速度帰還値とが制御器１３に入力される。すなわち、運転者によって要求される操作信号値と旋回モータ１１の速度帰還値とを比較して、旋回モータ１１を駆動できる駆動速度を算出する。

これと同時に、旋回慣性検出器１５は、バケットなどを備える作業装置ｃの位置変化による装備の慣性を検出して、検出された慣性によるトルク補償値を出力する。

これにより、前述した慣性トルク補償器１６は、制御器１３から出力されるトルク値と、旋回慣性検出器１５から出力されるトルク補償値とを比較判断して、旋回モータ１１を駆動できる駆動速度を算出してインバータ１４に出力する。

したがって、慣性トルク補償器１６からインバータ１４に出力される制御信号によって旋回モータ１１を駆動させることができる。

例えば、掘削機の慣性Ｊは、ブームなどの作業装置ｃの位置変化によって変化するバケットチップｄの位置と、旋回基準軸、すなわち、旋回モータ１１の軸との距離ｘに応じて変化する。一般に、前述した距離ｘの値が大きくなるほど、装備の旋回慣性値も大きくなる。

掘削機を用いた積載作業のように、旋回動作と作業装置の駆動動作との複合動作が行われるときには、作業装置ｃの位置変化に応じて装備の慣性が変化する。これは、トルクＴと、慣性Ｊ及び加速度αの相関関係によって変化する。下式によれば、装備の加速度αは、トルクＴが一定であると、装備の慣性Ｊに反比例して変化する。

Ｔ＝Ｊ×α、α＝Ｔ／Ｊ

前述した旋回慣性検出器１５を用いて、距離ｘの値の変化による装備の慣性変化をトルク値の制御により補償することにより、すなわち、トルクＴ／慣性Ｊが一定になるように制御することにより、旋回モータ１１を一定の加速度で制御することができる（図４のグラフを参照）。すなわち、装備の旋回慣性の変化とは無関係に旋回モータ１１が一定の加速度を維持するように制御することができる。

これは、積載作業に際して、作業装置ｃの位置変化による旋回装置の加速性能を一定に維持することができる。これにより、掘削機を用いた積載作業の際、旋回の繰り返し性が向上して装備の作業能率が向上する。

以上述べたように、本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械用旋回制御システムによれば、フィードバックされる旋回モータの回転速度値と装備の旋回慣性とを比較して、旋回慣性の変化に応じてトルクを補償することにより、掘削機を用いた積載作業に際して、装備の旋回慣性の変化とは無関係に旋回モータが一定の旋回加速度を維持するため、旋回作業の繰り返し性の向上につながる。

１１ 旋回モータ
１２ 速度感知センサ
１３ 制御器
１４ インバータ
１５ 旋回慣性検出器
１６ 慣性トルク補償器

Claims (4)

1. ハイブリッド建設機械用旋回制御システムにおいて、
   操作量に比例する旋回操作信号を出力する旋回操作レバーと、
   前記旋回操作レバーの操作量に対応する電気的な制御信号によって駆動する電動式旋回モータと、
   前記旋回モータの回転速度を検出する速度感知センサと、
   前記旋回操作レバーの操作による旋回操作信号と、前記速度感知センサからフィードバックされる回転速度の検出信号とによって前記旋回モータの駆動速度を算出する制御器と、
   前記制御器から送信される制御用電流値によって旋回モータを駆動させるインバータと、
   作業装置の位置変化に応じて変化する装備の旋回慣性を検出して、装備の慣性によるトルク補償値を出力する旋回慣性検出器と、
   前記旋回慣性検出器によって検出された装備の慣性によるトルク補償値と、前記制御器からのトルク値とを比較して算出された旋回モータ制御用トルク値を前記インバータに出力する慣性トルク補償器と、
   を備えるハイブリッド建設機械用旋回制御システム。
2. 前記旋回慣性検出器によって検出される装備の旋回慣性検出信号は、アナログまたはデジタル信号、および有線または無線通信、からそれぞれ選ばれるいずれか一つによって前記慣性トルク補償器に送信されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド建設機械用旋回制御システム。
3. 前記旋回慣性検出器は、作業装置用のそれぞれの油圧シリンダの位置変化値をリアルタイムで検出して、検出されたそれぞれの油圧シリンダの位置変化値の組み合わせを用いて装備の旋回慣性を検出することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド建設機械用旋回制御システム。
4. 前記旋回慣性検出器は、回転速度センサからフィードバックされる旋回モータの速度帰還値と電流帰還値とを比較して旋回モータの加速度値及びトルク値を予測し、これをリアルタイムで検出して前記慣性値を慣性トルク補償器に送信することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド建設機械用旋回制御システム。