JP4770807B2 - Rotating body drive control device - Google Patents
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Description
本発明は、建設車両等の旋回体を駆動制御する旋回体の駆動制御装置に関し、特に、旋回体の旋回時の振動を防止する技術に関するものである。 The present invention relates to a drive control device for a revolving structure that drives and controls a revolving structure such as a construction vehicle, and more particularly to a technique for preventing vibration during the turning of a revolving structure.
一般に、建設車両の１つであるショベルでは、各駆動部を油圧アクチュエータによって駆動するようにした油圧式のものがよく知られている。この油圧式のものは、エンジンで油圧ポンプを常時駆動し、この油圧ポンプからの圧油をコントロールバルブを介して色々な駆動部（旋回体、ブレード、クローラ、ブーム、アーム、バケット）のアクチュエータに供給することで、その駆動部を駆動させるようにしている。 In general, as an excavator which is one of construction vehicles, a hydraulic type in which each drive unit is driven by a hydraulic actuator is well known. In this hydraulic type, a hydraulic pump is constantly driven by an engine, and pressure oil from this hydraulic pump is supplied to actuators of various drive units (swivel bodies, blades, crawlers, booms, arms, buckets) via control valves. By supplying, the drive unit is driven.
しかし、油圧方式の課題は、仕事する量が僅かであるにも拘わらずエンジンが全開で回っているので、圧油の余剰流量が捨てられ、仕事をせずに熱となり、エネルギーが無駄となる欠点がある。 However, the problem with the hydraulic system is that the engine is fully open even though the amount of work is small, so the excess flow of pressure oil is thrown away, heat is not worked, and energy is wasted. There are drawbacks.
そこで、従来、駆動部としての旋回体等を電動モータによって直接に駆動するものとし、エンジンで発電機を駆動して、その発電された電気を一旦バッテリに充電するとともに、その充電電力によりインバータを介して旋回体等の回転部を駆動するようにしたハイブリッドシステムが提案されている。 Therefore, conventionally, a revolving body or the like as a drive unit is directly driven by an electric motor, and a generator is driven by an engine, and the generated electricity is once charged in a battery, and the inverter is driven by the charged power. There has been proposed a hybrid system that drives a rotating part such as a revolving body.
例えば特許文献１に示されるように、建設車両の旋回体等の回転系を駆動する電動モータのコントローラにおいて、油圧駆動式のものの動特性をシミュレーションするエミュレーションモデルを設定し、その油圧駆動式エミュレーションモデルにより制御目標値を演算して、電動モータを制御することが知られている。 For example, as disclosed in Patent Document 1, an emulation model for simulating the dynamic characteristics of a hydraulic drive type is set in a controller of an electric motor that drives a rotating system such as a revolving body of a construction vehicle, and the hydraulic drive type emulation model It is known that the control target value is calculated by controlling the electric motor.
また、特許文献２に示されるものでは、操作指令信号、及びこの操作指令信号に応じた目標速度と実速度との偏差から、電動アクチュエータの目標トルクを求めるとともに、実速度に応じた最大許容トルクを求め、これらの目標トルク又は最大許容トルクのうちの絶対値の最小の値を電動アクチュエータの最終目標トルクとして、電動アクチュエータを制御するようになっている。そして、このものでは、速度偏差信号により目標出力トルク信号を算出する際に速度偏差信号に許容値でリミットをかけている。
Moreover, in what is shown by
さらに、特許文献３には、操作手段の操作信号に基づいて電動モータの目標速度と制限トルクとを決定し、目標速度と実際の速度速度との偏差からフィードバック制御（PID制御）によるモータの出力トルクを求め、この出力トルクと制限トルクとのうちの絶対値の小さい方を最終の出力トルクとしてモータを制御することが示されている。
Further, in
また、特許文献４には、旋回操作部の操作量に応じて設定された指令速度値と実速度との偏差を求め、この速度偏差に応じて電動モータの加速・制動トルクを制御し、旋回操作部の操作量が少なくとも最大又は最大近傍のときに最大加速トルクを、また操作量が少なくとも０又は０近傍のときに最大制動トルクをそれぞれ出力するようにすることが提案されている。
ところで、旋回体を電動モータで直接に駆動し、そのモータの目標速度と実速度との速度偏差に対するモータ出力トルクの関数からモータ出力トルクを求めて、その出力トルクになるようにモータを制御すると、旋回体の駆動時に加速をした後で旋回速度に変動が生じ（図１２の破線参照）、旋回体の振動が生じて旋回体内のオペレータ（作業者）等が違和感や不快感を感じるという問題があった。 By the way, when the revolving body is directly driven by the electric motor, the motor output torque is obtained from the function of the motor output torque with respect to the speed deviation between the target speed and the actual speed of the motor, and the motor is controlled to be the output torque. Rotation speed fluctuates after acceleration during driving of the revolving structure (see the broken line in FIG. 12), and the revolving structure vibrates, causing the operator (operator) in the revolving structure to feel uncomfortable or uncomfortable was there.
すなわち、速度偏差に対するモータ出力トルクの関係は、制御系の応答性、機械系の弾性によって決まる限界があり、速度偏差とトルクとの関係がその限界を超えると振動を引き起こすこととなる。 In other words, the relationship between the motor output torque and the speed deviation has a limit determined by the response of the control system and the elasticity of the mechanical system. If the relationship between the speed deviation and the torque exceeds the limit, vibrations will be caused.
本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的は、いかなる状態においても、速度偏差に対するモータ出力トルクの関係が限界を超えないようにして、旋回体の振動を防止することにある。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to prevent vibrations of the revolving structure so that the relationship between the motor output torque and the speed deviation does not exceed the limit in any state. .
上記の目的を達成するために、この発明では、速度偏差に対するトルク変化量の傾きを一定に抑えるようにした。 In order to achieve the above object, in the present invention, the gradient of the torque change amount with respect to the speed deviation is kept constant.
具体的には、第１の発明では、旋回体（3）を旋回させる電動モータ（27）の目標速度を操作手段（31）の操作位置から算出して、該目標速度と電動モータ（27）の実際の速度との速度偏差を求め、該速度偏差に対するモータ出力トルクの関数に基づいて電動モータ（27）の出力トルクを求めて、該出力トルクで電動モータ（27）を制御するようにした旋回体の駆動制御装置において、上記旋回体（3）を油圧アクチュエータで旋回させる油圧回路のエミュレーションモデルから算出された、上記速度偏差に対するモータ出力トルクの関数に対し、その微分値の絶対値が所定未満となるように補正を加える補正手段（35）を設ける。 Specifically, in the first invention, the target speed of the electric motor (27) for turning the revolving structure (3) is calculated from the operation position of the operating means (31), and the target speed and the electric motor (27) are calculated. The speed deviation from the actual speed is obtained, the output torque of the electric motor (27) is obtained based on the function of the motor output torque with respect to the speed deviation, and the electric motor (27) is controlled by the output torque. In the drive control device for the swing body , the absolute value of the differential value is predetermined for the function of the motor output torque with respect to the speed deviation calculated from the hydraulic circuit emulation model for swinging the swing body (3) with a hydraulic actuator. Correcting means (35) for correcting so as to be less than the above is provided.
上記の構成によると、旋回体（3）を旋回させる電動モータ（27）の目標速度が操作手段（31）の操作位置から算出されとともに、この目標速度と電動モータ（27）の実際の速度との速度偏差が求められ、この速度偏差に対するモータ出力トルクの関数に基づいて電動モータ（27）の出力トルクが求められて、その出力トルクで電動モータ（27）が制御される。そのとき、補正手段（35）において、上記速度偏差に対するモータ出力トルクの関数に対し、その微分値の絶対値が所定未満となるように補正が加えられる。そのため、速度偏差に対するモータ出力トルクの関数での傾きが常に一定未満に抑えられ、旋回体（3）の駆動時に旋回速度の変動により旋回体（3）の振動が生じることはない。 According to the above configuration, the target speed of the electric motor (27) for turning the swing body (3) is calculated from the operation position of the operating means (31), and the target speed and the actual speed of the electric motor (27) The output torque of the electric motor (27) is obtained based on the function of the motor output torque with respect to the speed deviation, and the electric motor (27) is controlled by the output torque. At that time, the correction means (35) corrects the function of the motor output torque with respect to the speed deviation so that the absolute value of the differential value is less than a predetermined value. Therefore, the gradient of the motor output torque with respect to the speed deviation is always kept below a certain level, and the swinging body (3) does not vibrate due to the swing speed fluctuation when the swinging body (3) is driven .
しかも、上記補正手段（35）において補正が加えられる、速度偏差に対するモータ出力トルクの関数が油圧モデルから算出されるので、旋回体（3）の振動を防止しつつ、油圧方式に近いフィーリングの操作性も同時に実現することができる。 Moreover, since the function of the motor output torque with respect to the speed deviation , which is corrected by the correction means (35), is calculated from the hydraulic model, the feeling of the feeling close to that of the hydraulic system can be achieved while preventing the swinging body (3) from vibrating. Operability can be realized at the same time.
第２の発明では、旋回体（3）は建設車両に備えられたものとし、電動モータ（27）は、旋回体（3）を旋回させる旋回用電動モータとする。 In the second invention, the revolving structure (3) is provided in a construction vehicle, and the electric motor (27) is a revolving electric motor that revolves the revolving structure (3).
この第２の発明では、建設車両での旋回体（3）を電動モータ（27）によって駆動する場合に、旋回体（3）の駆動時の旋回速度の変動により旋回体（3）の振動が生じることを防止することができる。 In the second aspect of the invention, when the swing body (3) in the construction vehicle is driven by the electric motor (27), the swing body (3) is vibrated due to the fluctuation of the swing speed when the swing body (3) is driven. It can be prevented from occurring.
第３の発明では、上記電動モータ（27）を制動する制動機構が組み合わせられている。このことで、例えば旋回体（3）を停止保持する必要がある場合、パーキングブレーキや電動モータ（27）による位置保持に代えて制動機構で位置保持することにより、旋回体（3）に加わる過大な外力によるパーキングブレーキの劣化を防止し、或いは電動モータ（27）で位置保持する場合に必要となる電力も不要になり、省エネルギー化を図りかつ電動モータ（27）の寿命を向上することができる。 In the third invention, a braking mechanism for braking the electric motor (27) is combined. For this reason, for example, when it is necessary to stop and hold the swivel body (3), it is excessively applied to the swivel body (3) by holding the position with the brake mechanism instead of holding the position by the parking brake or the electric motor (27). The parking brake can be prevented from deteriorating due to extraneous external force, or the electric power required for holding the position with the electric motor (27) is no longer required, thus saving energy and improving the life of the electric motor (27). .
以上説明したように、第１の発明によると、旋回体（3）を旋回させる電動モータ（27）の目標速度と実際の速度との速度偏差に対するモータ出力トルクの関数に基づいて電動モータ（27）の出力トルクを求めて電動モータ（27）を制御するようにした旋回体の駆動制御装置において、その速度偏差に対するモータ出力トルクの関数を油圧モデルから算出して、その関数に対し、その微分値の絶対値が所定未満となるように補正を加えることにより、速度偏差に対するモータ出力トルクの関数での傾きが常に一定未満に抑えられ、旋回体（3）の駆動時に旋回速度が変動して振動が生じることを防止することができるとともに、旋回体（3）の振動を防止しつつ、油圧方式に近いフィーリングの操作性も実現することができる。 As described above, according to the first invention, the electric motor (27) is based on the function of the motor output torque with respect to the speed deviation between the target speed and the actual speed of the electric motor (27) that turns the swing body (3). ), The function of the motor output torque with respect to the speed deviation is calculated from the hydraulic model and the derivative of the function is calculated. By making corrections so that the absolute value is less than the predetermined value, the slope of the motor output torque with respect to the speed deviation is always kept below a certain level, and the turning speed fluctuates when the turning body (3) is driven. it is possible to prevent the vibration occurs, while preventing the vibration of the swing body (3), it is possible to realize operability feeling close to the hydraulic system.
第２の発明によると、旋回体（3）は建設車両に備えられたものとし、電動モータ（27）は、旋回体（3）を旋回させる旋回用電動モータとしたことにより、建設車両での旋回体（3）の旋回速度の変動により旋回体（3）の振動が生じることを防止することができる。 According to the second invention, the turning body (3) is provided in a construction vehicle, and the electric motor (27) is a turning electric motor for turning the turning body (3). It is possible to prevent the swinging body (3) from vibrating due to fluctuations in the turning speed of the swinging body (3).
第３の発明によると、電動モータ（27）を制動する制動機構を組み合わせたことにより、省エネルギー化及び電動モータ（27）の寿命の向上を図ることができる。 According to the third aspect of the invention, by combining a braking mechanism that brakes the electric motor (27), it is possible to save energy and improve the life of the electric motor (27).
以下、本発明の最良の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。 Hereinafter, the best embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the invention, its application, or its application.
図１は建設車両としてのハイブリッドショベル（1）を示し、このハイブリッドショベル（1）は、後述するようにエンジン（21）及び電動モータを備えており、エンジン（21）が発電用にのみ使用されるとともに、走行時や掘削作業時等に必要な動力は全て電動モータの動力に頼る、いわゆるシリーズ方式が採用されている。 FIG. 1 shows a hybrid excavator (1) as a construction vehicle. The hybrid excavator (1) includes an engine (21) and an electric motor as will be described later, and the engine (21) is used only for power generation. At the same time, a so-called series system is employed in which all the power necessary for traveling or excavation work depends on the power of the electric motor.
上記ハイブリッドショベル（1）は、下部走行体（2）と、該下部走行体（2）の上面に旋回可能に配設された上部旋回体（3）と、該上部旋回体（3）に取り付けられ、掘削作業等を行う掘削作業機（4）とを備えている。また、下部走行体（2）及び上部旋回体（3）は、ハイブリッドショベル（1）の車両本体を構成している。尚、以下の説明では、特に断らない限り「前側」、「後側」、「左側」及び「右側」はそれぞれ下部走行体（2）を基準として前側、後側、左側及び右側を意味する。 The hybrid excavator (1) is attached to the lower swinging body (2), the upper swinging body (3) rotatably disposed on the upper surface of the lower traveling body (2), and the upper swinging body (3). And an excavation work machine (4) for performing excavation work and the like. Further, the lower traveling body (2) and the upper turning body (3) constitute a vehicle body of the hybrid excavator (1). In the following description, unless otherwise specified, “front side”, “rear side”, “left side”, and “right side” mean the front side, the rear side, the left side, and the right side, respectively, with respect to the lower traveling body (2).
上記下部走行体（2）には、走行用のクローラ（5）と、整地作業等を行うためのブレード（6）とが設けられている。そして、下部走行体（2）には、クローラ（5）を駆動するための走行用油圧モータ（15）と、ブレード（6）を駆動するためのブレードシリンダ（16）とが設けられている。 The lower traveling body (2) is provided with a traveling crawler (5) and a blade (6) for performing leveling work and the like. The lower traveling body (2) is provided with a traveling hydraulic motor (15) for driving the crawler (5) and a blade cylinder (16) for driving the blade (6).
上記上部旋回体（3）にはオペレータキャビン（7）が、またその後側及び右側に作動油タンク（8）及びマシンキャブ（9）がそれぞれ配設されている。そして、上部旋回体（3）には、その上部旋回体（3）を減速機（28）（図２参照）を介して旋回駆動するための旋回用電動モータ（27）が設けられている。 An operator cabin (7) is disposed on the upper swing body (3), and a hydraulic oil tank (8) and a machine cab (9) are disposed on the rear side and the right side, respectively. The upper swing body (3) is provided with a turning electric motor (27) for driving the upper swing body (3) through a speed reducer (28) (see FIG. 2).
上記掘削作業機（4）は、基端部が上部旋回体（3）のレボルビングフレーム（図示せず）に回動可能に連結されるブーム（10）と、このブーム（10）の先端部に回動可能に連結されるアーム（11）と、このアーム（11）の先端部に回動可能に連結されるバケット（12）とを有している。そして、掘削作業機（4）には、ブーム（10）を駆動するためのブームシリンダ（17）と、アーム（11）を駆動するためのアームシリンダ（18）と、バケット（12）を駆動するためのバケットシリンダ（19）とが設けられている。 The excavation work machine (4) includes a boom (10) whose base end is rotatably connected to a revolving frame (not shown) of the upper swing body (3), and a tip of the boom (10). It has an arm (11) that is rotatably connected, and a bucket (12) that is rotatably connected to the tip of the arm (11). Then, the excavating machine (4) drives a boom cylinder (17) for driving the boom (10), an arm cylinder (18) for driving the arm (11), and a bucket (12). A bucket cylinder (19) is provided.
上記ブームシリンダ（17）は、一端が上部旋回体（3）に回動可能に支持され、他端であるロッド（17a）先端がブーム（10）の基端部寄りに回動可能に連結されており、伸縮によりブーム（10）を基端部を中心に回動（起伏）させる。 One end of the boom cylinder (17) is rotatably supported by the upper swing body (3), and the tip of the rod (17a) which is the other end is rotatably connected to the base end of the boom (10). The boom (10) is rotated (raised) around the base end by expansion and contraction.
上記アームシリンダ（18）は、一端がブーム（10）の上面に回動可能に支持され、他端であるロッド（18a）先端がアーム（11）に回動可能に連結されており、伸縮によりアーム（11）をブーム（10）との連結軸を中心に回動させる。 One end of the arm cylinder (18) is rotatably supported on the upper surface of the boom (10), and the other end of the rod (18a) is rotatably connected to the arm (11). The arm (11) is rotated around the connecting shaft with the boom (10).
上記バケットシリンダ（19）は、一端がアーム（11）の前面に回動可能に支持され、他端であるロッド（19a）先端がバケット（12）に回動可能に連結されており、伸縮によりバケット（12）をアーム（11）との連結軸を中心に回動させる。 The bucket cylinder (19) has one end rotatably supported on the front surface of the arm (11) and the other end of the rod (19a) is rotatably connected to the bucket (12). The bucket (12) is rotated around the connecting shaft with the arm (11).
図２に示すように、上記ハイブリッドショベル（1）は、上記旋回用電動モータ（27）を制御して上部旋回体（3）の旋回動作を行わせるための駆動制御装置（20）を備えている。尚、ハイブリッドショベル（1）は、この他、図示しないが、上記油圧アクチュエータとしての各種シリンダ（16,17,18,19）や走行用油圧モータ（15）を駆動するための駆動システムを備えている。 As shown in FIG. 2, the hybrid excavator (1) includes a drive control device (20) for controlling the turning electric motor (27) to cause the upper turning body (3) to turn. Yes. In addition, the hybrid excavator (1) includes a drive system for driving various cylinders (16, 17, 18, 19) as the hydraulic actuator and the traveling hydraulic motor (15), although not shown. Yes.
上記駆動制御装置（20）は、電気システムとして、エンジン（21）と、交流発電機（23）と、コンバータ（24）と、バッテリ（26）と、旋回用電動モータ（27）とを備えている。 The drive control device (20) includes, as an electric system, an engine (21), an AC generator (23), a converter (24), a battery (26), and an electric motor for turning (27). Yes.
具体的に、上記交流発電機（23）は、エンジン（21）の出力軸に駆動連結されていて、そのエンジン（21）の駆動によって発電するように構成されている。交流発電機（23）は、コンバータ（24）に電気的に接続されている。つまり、交流発電機（23）で発生した交流電力は、コンバータ（24）で直流電力に変換される。バッテリ（26）は、コンバータ（24）に電気的に接続され、充放電するように構成されている。コントローラ（30）は、バッテリ（26）（コンバータ（24））に電気的に接続され、直流電力が供給される。図２中、（29）は上部旋回体（3）を停止保持するためのパーキングブレーキである。 Specifically, the AC generator (23) is drivingly connected to the output shaft of the engine (21), and is configured to generate electric power by driving the engine (21). The AC generator (23) is electrically connected to the converter (24). That is, the AC power generated by the AC generator (23) is converted into DC power by the converter (24). The battery (26) is electrically connected to the converter (24) and configured to charge and discharge. The controller (30) is electrically connected to the battery (26) (converter (24)) and supplied with DC power. In FIG. 2, (29) is a parking brake for stopping and holding the upper swing body (3).
上記上部旋回体（3）を旋回させる旋回用電動モータ（27）は上記コントローラ（30）によって制御される。このコントローラ（30）には、上記オペレータキャビン（7）内に設けられた操作装置（31）（操作手段）からの操作信号と、上記旋回用電動モータ（27）の実際の回転速度を検出する速度検出器（32）からの速度信号とが少なくとも入力されている。操作装置（31）は上位装置（33）を介してコントローラ（30）に接続されている。操作装置（31）は、オペレータキャビン（7）内でオペレータ（作業者）が上部旋回体（3）を旋回させるために操作するもので、操作レバー（31a）を有し、この操作レバー（31a）の操作位置に応じて上部旋回体（3）が旋回又は停止し、例えば操作レバー（31a）が左右中央の中立位置にあるときには、上部旋回体（3）の旋回が停止し、操作レバー（31a）が左側に倒し操作されたときには上部旋回体（3）が左旋回し、右側に倒し操作されたときには上部旋回体（3）が右旋回する。 The turning electric motor (27) for turning the upper turning body (3) is controlled by the controller (30). The controller (30) detects an operation signal from an operation device (31) (operation means) provided in the operator cabin (7) and an actual rotation speed of the electric motor for rotation (27). At least a speed signal from the speed detector (32) is input. The operating device (31) is connected to the controller (30) via the host device (33). The operating device (31) is operated by an operator (operator) to turn the upper swing body (3) in the operator cabin (7), and has an operating lever (31a). The operating lever (31a ) Swings or stops according to the operation position of the upper swing body (3), for example, when the operation lever (31a) is in the neutral position at the center of the left and right, the swing of the upper swing body (3) stops and the operation lever ( When 31a) is tilted to the left, the upper swing body (3) turns left, and when it is tilted to the right, the upper swing body (3) turns right.
上記コントローラ（30）においては、上記操作装置（31）の操作信号による操作位置から、上部旋回体（3）を旋回させる旋回用電動モータ（27）の目標速度を算出するとともに、その目標速度と、速度検出器（32）からの速度信号による電動モータ（27）の実際の回転速度との速度偏差を求め、この速度偏差に対するモータ出力トルクの関数に基づいて電動モータ（27）の出力トルクを求めて、該出力トルクで上部旋回体（3）を制御するようになっている。 In the controller (30), the target speed of the electric motor for turning (27) for turning the upper turning body (3) is calculated from the operation position by the operation signal of the operating device (31), and the target speed and The speed deviation from the actual rotational speed of the electric motor (27) is obtained from the speed signal from the speed detector (32), and the output torque of the electric motor (27) is calculated based on the function of the motor output torque with respect to this speed deviation. Thus, the upper swing body (3) is controlled by the output torque.
上記速度偏差に対するモータ出力トルクの関数は、上部旋回体（3）を油圧アクチュエータで旋回させる油圧回路のエミュレーションモデル（以下、油圧モデルともいう）から算出される。図５（ｂ）は上部旋回体（3）を油圧アクチュエータで旋回させる油圧回路を、また図５（ａ）はその油圧回路をプログラム上でモデル化したエミュレーションモデル（油圧モデル）をそれぞれ示す。図中、（51）は油圧ポンプ、（52）は上部旋回体（3）を駆動するアクチュエータとしての油圧モータ、（53）は６ポート３位置のパイロットバルブ、（54，55，56）はリリーフバルブ、（57，58）はチェックバルブである。また、Ｑは流量を、Ｐは圧力を、Ａはパイロットバルブ（53）の各ポートのバルブ開口面積（バルブ開度）をそれぞれ表している。
The function of the motor output torque with respect to the speed deviation is calculated from an emulation model (hereinafter also referred to as a hydraulic model) of a hydraulic circuit that rotates the upper swing body (3) with a hydraulic actuator. FIG. 5 (b) shows a hydraulic circuit for turning the upper swing body (3) with a hydraulic actuator, and FIG. 5 (a) shows an emulation model (hydraulic model) in which the hydraulic circuit is modeled on a program. In the figure, (51) is a hydraulic pump, (52) is a hydraulic motor as an actuator for driving the upper swing body (3), (53) is a pilot valve at 6
この油圧モデルでの支配方程式は以下に示すようになる。ｑはポンプ容量、ｃは定数、Ｔはモータトルクである。 The governing equation in this hydraulic model is as follows. q is a pump capacity, c is a constant, and T is a motor torque.
Ｑｐ＝Ｑ１＋Ｑ３
Ｑ１＝Ｑ２
Ｐｐ＝ｃ（Ｑ３／Ａ３）２
Ｐｐ−Ｐ１＝ｃ（Ｑ１／Ａ１）２
Ｐ２＝ｃ（Ｑ２／Ａ２）２
Ｔ＝（Ｐ１−Ｐ２）・ｑ／（２π）
これらの式により油圧モータ（52）の出力トルクＴが求められる。
Qp = Q1 + Q3
Q1 = Q2
Pp = c (Q3 / A3) 2
Pp−P1 = c (Q1 / A1) 2
P2 = c (Q2 / A2) 2
T = (P1-P2) · q / (2π)
The output torque T of the hydraulic motor (52) is obtained from these equations.
油圧モデルにおいて、油圧モータ（52）に流れる流量と圧力との関係は図７で表される。また、この図７に示す加速状態（Ｃ１）、定速状態（Ｃ２）、減速状態（Ｃ３）及び減速状態（Ｃ４）での油圧回路の動作をそれぞれ図８（ａ）〜（ｄ）に示しており（圧油の流れる経路を太い実線にて表す）、油圧モータ（52）の入口側の圧力Ｐ１が出口側の圧力Ｐ２よりも大きいと大きな旋回トルクが発生する。 In the hydraulic model, the relationship between the flow rate and the pressure flowing through the hydraulic motor (52) is represented in FIG. 8A to 8D show the operation of the hydraulic circuit in the acceleration state (C1), constant speed state (C2), deceleration state (C3), and deceleration state (C4) shown in FIG. 7, respectively. When the pressure P1 on the inlet side of the hydraulic motor (52) is larger than the pressure P2 on the outlet side, a large turning torque is generated.
（１）加速状態（Ｃ１）
加速旋回中は、油圧ポンプ（51）からの流量がそのまま油圧モータ（52）に流れ、入口側の圧力Ｐ１が出口側の圧力Ｐ２よりも遥かに大きくなる。圧力Ｐ１が大きくなりすぎると、供給側リリーフバルブ（54）が開いて圧力Ｐ１は一定のリリーフバルブ設定圧力Ｐ１ｒに保たれる。そのため、Ｐ１＝Ｐ１ｒとなり、モータトルクＴは、Ｔ＝（Ｐ１ｒ−Ｐ２）・ｑ／（２π）となる。
(1) Acceleration state (C1)
During accelerated turning, the flow rate from the hydraulic pump (51) flows to the hydraulic motor (52) as it is, and the pressure P1 on the inlet side is much higher than the pressure P2 on the outlet side. If the pressure P1 becomes too large, the supply side relief valve (54) is opened and the pressure P1 is kept at a constant relief valve set pressure P1r. Therefore, P1 = P1r and the motor torque T is T = (P1r−P2) · q / (2π).
（２）定速状態（Ｃ２）
定速旋回中は、リリーフバルブ（54）は開いていない。圧力Ｐ１はそのままの値となり、モータトルクＴは、Ｔ＝（Ｐ１−Ｐ２）・ｑ／（２π）となる。定速旋回で外乱がなく外から力が作用していない場合、油圧モータ（52）に対する圧力Ｐ１，Ｐ２はＰ１＝Ｐ２となる。このとき、図７の圧力Ｐ１，Ｐ２（両者の関係は操作レバー（31a）の位置に応じて変化する）が交差する流量で油圧モータ（52）が回転する。
(2) Constant speed state (C2)
During constant speed turning, the relief valve (54) is not open. The pressure P1 is a value as it is, and the motor torque T is T = (P1-P2) · q / (2π). When there is no disturbance and no external force is applied during constant speed turning, the pressures P1 and P2 to the hydraulic motor (52) are P1 = P2. At this time, the hydraulic motor (52) rotates at a flow rate at which the pressures P1 and P2 in FIG. 7 (the relationship changes according to the position of the operation lever (31a)) intersect.
（３）減速状態（Ｃ３）
この状態では、上部旋回体（3）の慣性によって油圧モータ（52）への供給流量よりも吐出流量の方が大きくなっている。供給側の圧力Ｐ１が負圧にならないようにチェックバルブ（57）が開いて供給側に油が供給され、供給側の圧力Ｐ１は０になる。このことでモータトルクＴは、Ｔ＝（−Ｐ２）・ｑ／（２π）となる。
(3) Deceleration state (C3)
In this state, the discharge flow rate is larger than the supply flow rate to the hydraulic motor (52) due to the inertia of the upper swing body (3). The check valve (57) is opened and oil is supplied to the supply side so that the supply-side pressure P1 does not become negative, and the supply-side pressure P1 becomes zero. As a result, the motor torque T becomes T = (− P2) · q / (2π).
（４）減速状態（Ｃ４）
この減速旋回中は、油圧モータ（52）に加わる上部旋回体（3）の慣性力が大きいため、圧力Ｐ２が吐出側リリーフバルブ（55）の設定圧よりも大きくなり、吐出側リリーフバルブ（55）が開いて圧力一定（リリーフバルブ設定圧力Ｐ２ｒ）に保たれる。Ｐ２＝Ｐ２ｒとなるので、モータトルクＴは、Ｔ＝（−Ｐ２ｒ）・ｑ／（２π）となる。
(4) Deceleration state (C4)
During this deceleration turn, the inertial force of the upper swing body (3) applied to the hydraulic motor (52) is large, so that the pressure P2 becomes larger than the set pressure of the discharge side relief valve (55), and the discharge side relief valve (55 ) Is opened and the pressure is kept constant (relief valve set pressure P2r). Since P2 = P2r, the motor torque T is T = (− P2r) · q / (2π).
以上の各状態（Ｃ１）〜（Ｃ４）の状態で算出したモータトルクと速度偏差との関係を表すと、図９に示すような曲線となり、速度偏差に対するモータ出力トルクの関数が得られる。 When the relationship between the motor torque and the speed deviation calculated in the above states (C1) to (C4) is expressed, a curve as shown in FIG. 9 is obtained, and a function of the motor output torque with respect to the speed deviation is obtained.
次に、上記コントローラ（30）において、電動モータ（27）の出力トルクを求めて該トルクを電動モータ（27）に出力する処理動作について図３により説明する。図４はその処理動作に関する制御ブロック図である。 Next, the processing operation for obtaining the output torque of the electric motor (27) in the controller (30) and outputting the torque to the electric motor (27) will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a control block diagram relating to the processing operation.
最初のステップＳ１では、操作装置（31）からの操作信号を入力し、ステップＳ２で油圧モデルにおけるスプール位置を算出する。ステップＳ３では、上記油圧モデルにおいてパイロットバルブ（53）のバルブ開口面積Ａを算出する。このバルブ開口面積Ａは、図６に示すように、上記スプール位置（スプール開度）に応じて求められる。ステップＳ４において、上記操作信号により操作装置（31）の操作位置に基づいて、油圧モータが外力０のときに到達する速度を旋回用電動モータ（27）の目標速度として算出し、次のステップＳ５では、上記速度検出器（32）により検出された実際の回転速度との偏差Ｑｅｒｒを算出する。その後、ステップＳ６において、図９に示す油圧モデルによるモータ出力トルクＴを算出する。 In the first step S1, an operation signal from the operating device (31) is input, and in step S2, the spool position in the hydraulic model is calculated. In step S3, the valve opening area A of the pilot valve (53) is calculated in the hydraulic model. The valve opening area A is determined according to the spool position (spool opening) as shown in FIG. In step S4, based on the operation position of the operating device (31) based on the operation signal, the speed reached when the hydraulic motor has an external force of 0 is calculated as the target speed of the electric motor for turning (27), and the next step S5 Then, a deviation Qerr from the actual rotational speed detected by the speed detector (32) is calculated. Thereafter, in step S6, a motor output torque T based on the hydraulic model shown in FIG. 9 is calculated.
次いで、ステップＳ７において、上記速度偏差に対するモータ出力トルクの関数の微分値ｄＴ／ｄＱを算出し、ステップＳ８では微分値ｄＴ／ｄＱが速度比例ゲインの限界を超えたかどうかを判定する。この判定がＮＯのときには、そのままステップＳ１０に進むが、微分値ｄＴ／ｄＱが速度比例ゲインの限界を超えて判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ９に進んで、トルク補正を行った後にステップＳ１０に進む。すなわち、図１１の破線は油圧モデルによる制御の特性を示しており、この油圧の特性による速度偏差の変化量に対するトルク変化量ΔＴ２／△Ｑｅｒｒが、振動が発生しない限界ΔＴ１／△Ｑｅｒｒを超えないように、図１１の実線にて示すようにトルクと速度偏差との関係を補正する。具体的には、微分値の絶対値が所定未満となるように補正を加える。このことで、図９に示す油圧モデルによる速度偏差に対するモータ出力トルクの関数を図１０に示すように補正する。 Next, in step S7, a differential value dT / dQ of the function of the motor output torque with respect to the speed deviation is calculated. In step S8, it is determined whether or not the differential value dT / dQ exceeds the limit of the speed proportional gain. When this determination is NO, the process proceeds to step S10 as it is, but when the differential value dT / dQ exceeds the limit of the speed proportional gain and the determination is YES, the process proceeds to step S9 to perform torque correction and then to step S10. move on. That is, the broken line in FIG. 11 shows the control characteristics of the hydraulic model, and the torque change amount ΔT2 / ΔQerr relative to the change amount of the speed deviation due to the hydraulic pressure characteristic does not exceed the limit ΔT1 / ΔQerr at which no vibration occurs. Thus, the relationship between torque and speed deviation is corrected as shown by the solid line in FIG. Specifically, correction is performed so that the absolute value of the differential value is less than a predetermined value. Thus, the function of the motor output torque with respect to the speed deviation according to the hydraulic model shown in FIG. 9 is corrected as shown in FIG.
上記ステップＳ１０では、モータ出力トルクが最大トルクを超えないようにするトルク制限処理を行い、ステップＳ１１においてモータ出力トルクを旋回用電動モータ（27）に出力して旋回用電動モータ（27）をその出力トルクがモータ出力トルクになるように電流制御し、しかる後に終了する。 In step S10, torque limiting processing is performed so that the motor output torque does not exceed the maximum torque. In step S11, the motor output torque is output to the turning electric motor (27) so that the turning electric motor (27) is The current is controlled so that the output torque becomes the motor output torque, and then the process ends.
そして、この実施形態では、上記ステップＳ７〜Ｓ９の機能により、速度偏差に対するモータ出力トルクの関数に対し、その微分値の絶対値が所定未満となるように補正を加える補正手段（35）が構成されている。 And in this embodiment, the correction means (35) which correct | amends so that the absolute value of the differential value may become less than predetermined with respect to the function of the motor output torque with respect to a speed deviation by the function of said step S7-S9 is comprised. Has been.
−上部旋回体の旋回制御動作−
上部旋回体（3）のオペーレータキャビン（7）においてオペレータが操作装置（31）の操作レバー（31a）を操作することで、上部旋回体（3）が旋回する。具体的には、操作装置（31）からの操作信号がコントローラ（30）に入力され、その操作信号に基づいて油圧モデルにおけるスプール位置が算出されるとともに、そのスプール位置から油圧モデルでのパイロットバルブ（53）のバルブ開口面積Ａが算出される。また、上記操作信号による操作装置（31）の操作位置に基づいて、油圧モータが外力０のときに到達する速度を旋回用電動モータ（27）の目標速度として算出し、この目標速度と、速度検出器（32）により検出された実際の回転速度との偏差Ｑｅｒｒが算出され、この偏差Ｑｅｒｒから油圧モデルによるモータ出力トルクＴが算出される。
-Swing control operation of upper swing body-
When the operator operates the operation lever (31a) of the operating device (31) in the operator cabin (7) of the upper swing body (3), the upper swing body (3) rotates. Specifically, an operation signal from the operation device (31) is input to the controller (30), and a spool position in the hydraulic model is calculated based on the operation signal, and a pilot valve in the hydraulic model is calculated from the spool position. The valve opening area A of (53) is calculated. Further, based on the operation position of the operation device (31) based on the operation signal, the speed reached when the hydraulic motor has an external force of 0 is calculated as the target speed of the electric motor for turning (27). A deviation Qerr from the actual rotational speed detected by the detector (32) is calculated, and a motor output torque T based on the hydraulic model is calculated from the deviation Qerr.
そして、上記速度偏差に対するモータ出力トルクの関数の微分値ｄＴ／ｄＱが算出され、その微分値ｄＴ／ｄＱが速度比例ゲインの限界を超えると、図１１に実線にて示すように、速度偏差に対するトルク変化量が一定を超えないように、トルクと速度偏差との関係が補正され、微分値の絶対値が所定未満となるように補正が加えられ、図９に示す油圧モデルによる速度偏差に対するモータ出力トルクの関数が図１０に示すように補正される。 Then, a differential value dT / dQ of the function of the motor output torque with respect to the speed deviation is calculated, and when the differential value dT / dQ exceeds the limit of the speed proportional gain, as shown by a solid line in FIG. The relationship between torque and speed deviation is corrected so that the amount of torque change does not exceed a certain amount, correction is made so that the absolute value of the differential value is less than a predetermined value, and the motor for the speed deviation by the hydraulic model shown in FIG. The output torque function is corrected as shown in FIG.
しかる後、モータ出力トルクに対するトルク制限処理が行われた後に、モータ出力トルクが旋回用電動モータ（27）に出力されて該モータ（27）をその出力トルクがモータ出力トルクになるように電流制御される。 Thereafter, after the torque limiting process for the motor output torque is performed, the motor output torque is output to the electric motor for turning (27), and the current control is performed so that the output torque becomes the motor output torque. Is done.
−実施形態の効果−
したがって、この実施形態においては、旋回用電動モータ（27）の目標速度と実際の速度との速度偏差に対するモータ出力トルクの関数に基づいて電動モータ（27）の出力トルクが求められて、その出力トルクで電動モータ（27）が回転して上部旋回体（3）が制御される際、速度偏差に対するモータ出力トルクの関数に対し、その微分値の絶対値が所定未満となるように補正が加えられるので、速度偏差に対するモータ出力トルクの関数での傾きが常に一定未満に抑えられ、図１２に実線にて示すように、ハイブリッドショベルでの上部旋回体（3）を電動モータ（27）によって駆動する場合に、その旋回速度の変動により上部旋回体（3）の振動が生じるのを防止することができる。尚、図１２の破線は振動の発生状態を示している。
-Effect of the embodiment-
Therefore, in this embodiment, the output torque of the electric motor (27) is obtained based on the function of the motor output torque with respect to the speed deviation between the target speed and the actual speed of the electric motor (27) for turning, and the output When the electric motor (27) is rotated by torque and the upper swing body (3) is controlled, a correction is added to the function of the motor output torque against the speed deviation so that the absolute value of the differential value is less than the predetermined value. Therefore, the slope of the function of the motor output torque with respect to the speed deviation is always kept below a certain level, and the upper swing body (3) in the hybrid excavator is driven by the electric motor (27) as shown by the solid line in FIG. In this case, it is possible to prevent the upper swing body (3) from vibrating due to the fluctuation of the swing speed. In addition, the broken line of FIG. 12 has shown the generation | occurrence | production state of the vibration.
また、上記速度偏差に対するモータ出力トルクの関数は、上部旋回体（3）を油圧モータ（52）で旋回させる油圧回路のエミュレーションモデルから算出されたものであるので、速度偏差に対するモータ出力トルクの関数が油圧モデルから算出され、上部旋回体（3）の振動を防止しつつ、油圧方式に近いフィーリングの操作性も同時に実現することができる。 Further, since the motor output torque function with respect to the speed deviation is calculated from an emulation model of a hydraulic circuit for turning the upper swing body (3) by the hydraulic motor (52), the function of the motor output torque with respect to the speed deviation. Is calculated from the hydraulic model, and the operability of the feeling close to that of the hydraulic system can be realized at the same time while preventing the vibration of the upper swing body (3).
（その他の実施形態）
尚、上記実施形態において、旋回用電動モータ（27）を制動する油圧式、空気式、機械式等の制動機構を組み合わせることもできる。具体的には、図示しないが、この制動機構は例えばモータ（27）と減速機（28）との間に、両者を駆動連結する連結軸の回転を制動する機構として設けられる。このような制動機構を設けることで、省エネルギー化を図りかつ電動モータ（27）の寿命を向上することができる。
(Other embodiments)
In the above embodiment, a hydraulic, pneumatic, mechanical, etc. braking mechanism that brakes the electric motor (27) for turning can be combined. Specifically, although not shown, this braking mechanism is provided, for example, as a mechanism for braking the rotation of the connecting shaft that drives and connects the motor (27) and the speed reducer (28). By providing such a braking mechanism, it is possible to save energy and improve the life of the electric motor (27).
すなわち、ショベルの旋回モータが油圧モータの場合、上部旋回体が旋回していなくて作業中にパーキングブレーキを解除している状態では、旋回外力に対して動力の入力がなくてもリリーフ圧相当までの抵抗力を油圧モータが持っている。これに対し、ショベルの旋回モータを油圧モータから電動モータ（27）に変えたとき、その電動モータ（27）で同じことをするには、外部から電流を流して抵抗トルクを発生させてやらねばならない。また、その旋回外力が変化するときは電流を調節しないと意図した停止位置を保持することができない。さらに、押付堀削時は旋回体（3）に旋回トルクを発生させ続ける必要がある。このため、電動モータ（27）に電流を流し続ける必要があり、発熱により損失が発生する。 In other words, when the excavator's turning motor is a hydraulic motor, the upper turning body is not turning, and the parking brake is released during work. The hydraulic motor has the resistance force. On the other hand, when the excavator's turning motor is changed from a hydraulic motor to an electric motor (27), in order to do the same with the electric motor (27), current must be passed from outside to generate resistance torque. Don't be. Further, when the turning external force changes, the intended stop position cannot be maintained unless the current is adjusted. Furthermore, it is necessary to continue generating the turning torque in the turning body (3) during the pressing excavation. For this reason, it is necessary to keep an electric current flowing through the electric motor (27), and a loss occurs due to heat generation.
また、パーキングブレーキ（29）をかけて強制的に旋回体（3）を位置保持することもできるが、そのブレーキトルク以上の過大な外力が旋回体（3）にかかったときには、パーキングブレーキ（29）の破損や鳴きが発生する。 The revolving body (3) can be forced to hold the position by applying the parking brake (29), but when an excessive external force exceeding the brake torque is applied to the revolving body (3), the parking brake (29 ) May be damaged or squealed.
そこで、旋回用電動モータ（27）を制動する制動機構を電動モータ（27）とは別に設け、その制動機構によって、旋回外力に対する抵抗力を発生させるようにすることで、パーキングブレーキ（29）を損傷し難くして、そのことによるブレーキ劣化を防止するとともに、電動モータ（27）に大電流を供給することを不要にし、よって省エネルギー化を図りかつ電動モータ（27）の高寿命化を図ることができる。 Therefore, a braking mechanism for braking the turning electric motor (27) is provided separately from the electric motor (27), and the parking brake (29) is provided by generating a resistance force against the turning external force by the braking mechanism. To prevent damage to the brake and prevent deterioration of the brake, making it unnecessary to supply a large current to the electric motor (27), thus saving energy and extending the life of the electric motor (27). Can do .
さらに、上記実施形態では、ハイブリッドショベル（1）の上部旋回体（3）を制御するようにしているが、本発明は、この上部旋回体（3）に限定されず、他の建設車両や一般の旋回体を電動モータによって駆動する場合にも適用することができる。 Furthermore, in the above embodiment, the upper swing body (3) of the hybrid excavator (1) is controlled. However, the present invention is not limited to this upper swing body (3), and other construction vehicles and general This can also be applied to the case where the revolving body is driven by an electric motor.
本発明は、旋回体を電動モータで旋回駆動するシステムにおいて極めて有用であり、産業上の利用可能性が高い。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is extremely useful in a system in which a turning body is driven to turn by an electric motor, and has high industrial applicability.
1 ハイブリッドショベル
3 上部旋回体
21 エンジン
26 バッテリ
27 旋回用電動モータ
30 コントローラ
31 操作装置（操作手段）
31a 操作レバー
32 速度検出器
33 上位装置
35 補正手段
51 油圧ポンプ
52 油圧モータ
53 パイロットバルブ
1 Hybrid excavator
3 Upper swing body
21 engine
26 battery
27 Electric motor for turning
30 controller
31 Operating device (operating means)
31a Control lever
32 Speed detector
33 Host device
35 Correction method
51 Hydraulic pump
52 Hydraulic motor
53 Pilot valve
Claims (3)
上記旋回体（3）を油圧アクチュエータで旋回させる油圧回路のエミュレーションモデルから算出された、上記速度偏差に対するモータ出力トルクの関数に対し、その微分値の絶対値が所定未満となるように補正を加える補正手段（35）を設けたことを特徴とする旋回体の駆動制御装置。 The target speed of the electric motor (27) for turning the revolving body (3) is calculated from the operation position of the operating means (31), and the speed deviation between the target speed and the actual speed of the electric motor (27) is obtained, In the drive control device for a revolving structure, the output torque of the electric motor (27) is obtained based on the function of the motor output torque with respect to the speed deviation, and the electric motor (27) is controlled by the output torque.
A correction is made so that the absolute value of the differential value is less than a predetermined value with respect to the function of the motor output torque with respect to the speed deviation calculated from the hydraulic circuit emulation model for turning the turning body (3) with a hydraulic actuator. A drive control device for a revolving structure, characterized in that a correction means (35) is provided.
旋回体（3）は建設車両に備えられたものであり、
電動モータ（27）は、旋回体（3）を旋回させる旋回用電動モータであることを特徴とする旋回体の駆動制御装置。 In the revolving structure drive control device according to claim 1 ,
The swivel (3) is provided in the construction vehicle,
The electric motor (27) is a turning electric motor for turning the turning body (3).
電動モータ（27）を制動する制動機構が組み合わせられていることを特徴とする旋回体の駆動制御装置。 In the revolving structure drive control device according to claim 1 or 2 ,
A drive control device for a revolving structure, wherein a braking mechanism for braking the electric motor (27) is combined.
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