サーボ制御システムおよび作業機械
【課題】機械要素の増加を抑えつつバックラッシュによる影響を低減できるサーボ制御システムおよび作業機械を提供する。
【解決手段】サーボ制御システム８０は、回転体４に連結された第１の歯車７１と、第１の歯車７１と噛み合い、第１の歯車７１を駆動する第２の歯車７２と、第２の歯車７２を駆動する旋回用電動機２１と、旋回用電動機２１の動作を制御する旋回駆動制御部４０とを備え、旋回駆動制御部４０は、旋回用電動機２１の出力トルクを制限するための旋回制限部４１を有しており、旋回制限部４１は、旋回用電動機２１の静止状態から回転動作への移行、旋回用電動機２１の回転速度の減速、または旋回用電動機２１の回転方向の変更を行う際に、第１の歯車７１及び第２の歯車７２におけるバックラッシュ幅を第２の歯車７２が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、旋回用電動機２１の出力トルクを制限する。
【解決手段】サーボ制御システム８０は、回転体４に連結された第１の歯車７１と、第１の歯車７１と噛み合い、第１の歯車７１を駆動する第２の歯車７２と、第２の歯車７２を駆動する旋回用電動機２１と、旋回用電動機２１の動作を制御する旋回駆動制御部４０とを備え、旋回駆動制御部４０は、旋回用電動機２１の出力トルクを制限するための旋回制限部４１を有しており、旋回制限部４１は、旋回用電動機２１の静止状態から回転動作への移行、旋回用電動機２１の回転速度の減速、または旋回用電動機２１の回転方向の変更を行う際に、第１の歯車７１及び第２の歯車７２におけるバックラッシュ幅を第２の歯車７２が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、旋回用電動機２１の出力トルクを制限する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーボ制御システムおよび作業機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
或る負荷軸を歯車を介してモータによって駆動する方式は、例えばクレーン車両やリフティングマグネット車両といった旋回式作業機械等において多く用いられている。このような方式で負荷軸を駆動する場合、歯車同士のバックラッシュ（Ｂａｃｋｌａｓｈ；バックラッシともいう）が問題となる。すなわち、相互に噛み合った２枚の歯車を介して駆動力を伝達する構造では、これらの歯車の回転方向に隙間（バックラッシュ）が設けられており、この隙間によって各歯車が滑らかに回転できる。しかし、この隙間に起因して、静止状態から回転動作を開始する際、回転速度を減速する際、または回転方向を逆向きに変更する際などに、駆動側の歯車の歯が負荷側の歯車の歯に勢い良く衝突し、その衝撃が、振動や騒音の発生、或いは機械の寿命低下の一因となる。
【０００３】
このような問題を解決するための技術として、例えば一つの負荷軸に二つの駆動軸を配置し、一の方向に負荷軸を回転させる場合には一方の駆動軸を用い、他の方向に負荷軸を回転させる場合には他方の駆動軸を用いる方式がある（特許文献１の図８を参照）。この方式では、各駆動軸に回転方向のトルクを常に加えておくことにより、上述したバックラッシュによる問題を解決できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−５１７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の図８に記載された方式では、二つの駆動軸のそれぞれにモータを用意する必要があるので、機械要素が増加してしまう。したがって、信頼性の低下や製造コストの上昇を招き、装置の小型化を妨げる一因ともなる。
【０００６】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、機械要素の増加を抑えつつバックラッシュによる影響を低減できるサーボ制御システムおよび作業機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題を解決するために、本発明によるサーボ制御システムは、負荷となる回転体に連結された第１の歯車と、第１の歯車と噛み合い、第１の歯車を駆動する第２の歯車と、第２の歯車を駆動する電動機と、電動機の動作を制御する制御部とを備え、制御部は、電動機の出力トルクを制限するためのトルク制限部を有しており、トルク制限部が、電動機の静止状態から回転動作への移行、電動機の回転速度の減速、または電動機の回転方向の変更を行う際に、第１及び第２の歯車におけるバックラッシュ幅を第２の歯車が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、電動機の出力トルクを制限することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による作業機械は、旋回体および該旋回体に配置された運転室を備える作業機械であって、旋回体に連結された第１の歯車と、第１の歯車と噛み合い、第１の歯車を駆動する第２の歯車と、第２の歯車を駆動する旋回用電動機と、旋回用電動機の動作を制御する制御部とを備え、制御部が、旋回用電動機の出力トルクを制限するためのトルク制限部を有しており、トルク制限部は、旋回用電動機の静止状態から回転動作への移行、旋回用電動機の回転速度の減速、または旋回用電動機の回転方向の変更を行う際に、第１及び第２の歯車におけるバックラッシュ幅を第２の歯車が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、旋回用電動機の出力トルクを制限することを特徴とする。
【０００９】
上述したサーボ制御システムおよび作業機械においては、トルク制限部が、一定の場合に（旋回用）電動機の出力トルクを制限する。ここで、一定の場合とは、すなわち第１の歯車と第２の歯車とのバックラッシュによって衝撃が発生するような場合であって、（旋回用）電動機の静止状態から回転動作への移行、（旋回用）電動機の回転速度の減速、または（旋回用）電動機の回転方向の変更の３つの場合である。これにより、機械要素の追加を必要とすることなくバックラッシュによる衝撃を低減することが可能となる。また、トルク制限部は、上述した各場合に（旋回用）電動機の出力トルクを制限する際、第１及び第２の歯車におけるバックラッシュ幅を第２の歯車が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間に限り、（旋回用）電動機の出力トルクを制限する。このような所定時間に限って（旋回用）電動機の出力トルクを制限することにより、操作入力に対する回転体（旋回体）の応答性を確保できる。更に、第２の歯車の歯と第１の歯車の歯との間隔がバックラッシュ幅を超えることはないので、第２の歯車の歯が第１の歯車の歯に対してどのような位置にあったとしても、バックラッシュによる衝撃を効果的に低減できる。
【００１０】
また、上記作業機械は、トルク制限部が、旋回用電動機の出力トルクを、バックラッシュ幅を第２の歯車が移動する際に要する時間が１ミリ秒以上２００ミリ秒以下となる値に制限することを特徴としてもよい。上記作業機械において、旋回用電動機の出力トルクの制限値を小さくし過ぎると、操作者の指示入力に対して旋回体が旋回動作を開始するタイミングが遅れ、応答性の低下を招き操作者を不快にしてしまう。本発明者の知見によれば、或る操作に対して対象物が動作を開始するまでの時間が２００ミリ秒を超えると、操作者が不快に感じる傾向がある。そこで、第２の歯車がバックラッシュ幅を移動する際に要する時間が上記範囲内となるように旋回用電動機の出力トルクの制限値を設定することによって、バックラッシュによる衝撃を低減しつつ、操作者が不快に感じない程度に応答性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によるサーボ制御システムおよび作業機械によれば、機械要素の増加を抑えつつバックラッシュによる影響を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るサーボ制御システムを備える作業機械の一例として、ハイブリッド型建設機械１の外観を示す斜視図である。
【図２】ハイブリッド型建設機械１の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。
【図３】図２における蓄電手段１２０の内部構成を示す図である。
【図４】旋回機構３の内部に設けられた駆動力伝達機構７０の構成を示す平面図である。
【図５】旋回機構３を駆動するためのサーボ制御システム８０の構成を示すブロック図である。
【図６】旋回体４の旋回速度の時間変化の一例を示すグラフである。
【図７】旋回用電動機２１が静止状態から回転動作へ移行する際における、旋回用電動機２１の駆動軸２１Ａの回転速度の時間変化を示すグラフである。
【図８】旋回制限部４１の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるサーボ制御システムおよび作業機械の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明に係るサーボ制御システムを備える作業機械の一例として、ハイブリッド型建設機械１の外観を示す斜視図である。図１に示すように、ハイブリッド型建設機械１はいわゆるリフティングマグネット車両であり、無限軌道を含む走行機構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旋回体４とを備えている。なお、旋回体４は、本実施形態における回転体の一例である。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リフティングマグネット７とが取り付けられている。リフティングマグネット７は、鋼材などの吊荷Ｇを磁力により吸着して捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びリフティングマグネット７は、それぞれブームシリンダ８、アームシリンダ９、及びバケットシリンダ１０によって油圧駆動される。また、旋回体４には、リフティングマグネット７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。
【００１５】
また、ハイブリッド型建設機械１はサーボ制御ユニット６０を備えている。サーボ制御ユニット６０は、旋回機構３やリフティングマグネット７といった作業要素を駆動するための交流電動機や、エンジン１１をアシストするための電動発電機、並びに蓄電池（バッテリー）の充放電を制御する。サーボ制御ユニット６０は、直流電力を交流電力に変換して交流電動機や電動発電機を駆動するためのインバータ回路、バッテリーの充放電を制御する昇降圧コンバータ回路といった複数のドライバ回路と、該複数のドライバ回路を制御するためのコントローラとを備えている。
【００１６】
図２は、本実施形態のハイブリッド型建設機械１の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。なお、図２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。また、図３は、図２における蓄電手段１２０の内部構成を示す図である。
【００１７】
図２に示すように、ハイブリッド型建設機械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がこのエンジン１１を作業要素として駆動することによりエンジン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替えは、ハイブリッド型建設機械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。
【００１８】
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、ハイブリッド型建設機械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１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８、アームシリンダ９、及びバケットシリンダ１０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。
【００１９】
電動発電機１２の電気的な端子には、インバータ回路１８Ａの出力端が接続されている。インバータ回路１８Ａの入力端には、蓄電手段１２０が接続されている。蓄電手段１２０は、図３に示すように、ＤＣバス１１０、昇降圧コンバータ１００及びバッテリ１９を備えている。すなわち、インバータ回路１８Ａの入力端は、ＤＣバス１１０を介して昇降圧コンバータ１００の入力端に接続されることとなる。昇降圧コンバータ１００の出力端には、蓄電池としてのバッテリ１９が接続されている。バッテリ１９は、例えばキャパシタ型蓄電池によって構成される。バッテリ１９の大きさの一例としては、電圧２．５Ｖ、容量２４００Ｆのキャパシタが１４４個直列に接続されたもの（すなわち、両端電圧３６０Ｖ）が好適である。
【００２０】
インバータ回路１８Ａは、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。すなわち、インバータ回路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１９と昇降圧コンバータ１００からＤＣバス１１０を介して電動発電機１２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１１０及び昇降圧コンバータ１００を介してバッテリ１９に充電する。なお、昇降圧コンバータ１００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基づき、コントローラ３０によって行われる。これにより、ＤＣバス１１０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。
【００２１】
なお、本実施形態の昇降圧コンバータ１００はスイッチング制御方式を備えており、図３に示すように、互いに直列に接続されたトランジスタ１００Ｂ及び１００Ｃと、これらの接続点とバッテリ１９の正側端子との間に接続されたリアクトル１０１と、トランジスタ１００Ｂに対し逆方向に並列接続されたダイオード１００ｂと、トランジスタ１００Ｃに対し逆方向に並列接続されたダイオード１００ｃと、平滑用のコンデンサ１００ｄとを有する。トランジスタ１００Ｂ及び１００Ｃは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成される。直流電力をバッテリ１９からＤＣバス１１０へ供給する際には、コントローラ３０からの指令によってトランジスタ１００ＢのゲートにＰＷＭ（PulseWidth Modulation）電圧が印加される。そして、トランジスタ１００Ｂのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がダイオード１００ｃを介して伝達され、この電力がコンデンサ１００ｄにより平滑化される。また、直流電力をＤＣバス１１０からバッテリ１９へ供給する際には、コントローラ３０からの指令によってトランジスタ１００ＣのゲートにＰＷＭ電圧が印加されるとともに、トランジスタ１００Ｃから出力される電流がリアクトル１０１により平滑化される。
【００２２】
再び図２を参照すると、蓄電手段１２０には、インバータ回路２０Ｂを介してリフティングマグネット７が接続されている。リフティングマグネット７は、金属物を磁気的に吸着させるための磁力を発生する電磁石を含んでおり、インバータ回路２０Ｂを介して蓄電手段１２０から電力が供給される。インバータ回路２０Ｂは、コントローラ３０からの指令に基づき、電磁石をオンにする際には、リフティングマグネット７へ要求された電力を蓄電手段１２０より供給する。また、電磁石をオフにする場合には、回生された電力を蓄電手段１２０に供給する。
【００２３】
更に、蓄電手段１２０には、インバータ回路２０Ａが接続されている。インバータ回路２０Ａの一端には旋回用電動機２１が接続されており、インバータ回路２０Ａの他端は蓄電手段１２０のＤＣバス１１０に接続されている。旋回用電動機２１は、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の駆動軸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。
【００２４】
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。旋回用電動機２１は、ＰＷＭ制御信号によりインバータ回路２０Ａ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。
【００２５】
レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の駆動軸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駆動軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が駆動軸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の駆動軸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の駆動軸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。
【００２６】
なお、ＤＣバス１１０には、インバータ回路１８Ａ、２０Ａ及び２０Ｂを介して、電動発電機１２、旋回用電動機２１、及びリフティングマグネット７が接続されているので、電動発電機１２で発電された電力がリフティングマグネット７又は旋回用電動機２１に直接的に供給される場合もあり、リフティングマグネット７で回生された電力が電動発電機１２又は旋回用電動機２１に供給される場合もあり、さらに、旋回用電動機２１で回生された電力が電動発電機１２又はリフティングマグネット７に供給される場合もある。
【００２７】
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、及びリフティングマグネット７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。
【００２８】
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。
【００２９】
コントローラ３０は、旋回駆動制御部４０及び駆動制御部５０を含み、ＣＰＵ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の電源は、バッテリ１９とは別のバッテリ（例えば２４Ｖ車載バッテリ）である。旋回駆動制御部４０は、圧力センサ２９から入力される信号のうち、旋回機構３を旋回させるための操作量を表す信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。駆動制御部５０は、電動発電機１２の運転制御（アシスト運転及び発電運転の切り替え）、リフティングマグネット７の駆動制御（励磁と消磁の切り替え）、並びに、昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるバッテリ１９の充放電制御を行う。
【００３０】
図４は、旋回機構３の内部に設けられた駆動力伝達機構７０の構成を示す平面図である。図４に示すように、本実施形態の駆動力伝達機構７０は、第１の歯車７１および第２の歯車７２を含んで構成されている。第１の歯車７１は、負荷となる旋回体４に連結されており、本実施形態では円環状の部材に内歯車７１ａが形成されて成る。この円環状部材の中心は、旋回体４の回転中心と一致している。第２の歯車７２は、第１の歯車７１と噛み合う平歯車７２ａを有しており、その回転軸が旋回用電動機２１の駆動軸２１Ａ（図２を参照）と連結されている。これにより、第２の歯車７２は、駆動軸２１Ａの駆動力を第１の歯車７１に伝達する。なお、駆動軸２１Ａと第２の歯車７２との連結構造としては、互いに固定されても良いし、他の歯車等の伝達機構を介して連結されても良い。
【００３１】
第１の歯車７１の内歯車７１ａと第２の歯車７２の平歯車７２ａとの間には、バックラッシュが設けられている。すなわち、図４の部分拡大図に示すように、内歯車７１ａの歯７１ｂと平歯車７２ａの歯７２ｂとの間には、これらの歯７１ｂ，７２ｂの進行方向において隙間Ａが設けられており、この隙間Ａによって第１の歯車７１及び第２の歯車７２が滑らかに回転できる。
【００３２】
図５は、旋回機構３を駆動するためのサーボ制御システム８０の構成を示すブロック図である。このサーボ制御システム８０は、図２に示したコントローラ３０の旋回駆動制御部４０、インバータ回路２０Ａおよび旋回用電動機２１と、図４に示した駆動力伝達機構７０と、図１に示した旋回体４（すなわち回転負荷）とによって構成されている。
【００３３】
旋回駆動制御部４０は、旋回制限部４１及びＰＩ制御部４２を含んで構成されている。旋回制限部４１は、本実施形態におけるトルク制限部であって、旋回用電動機２１の出力トルクを制限するために設けられている。旋回制限部４１は、或る一定の条件の場合に、第１の歯車７１と第２の歯車７２との間のバックラッシュＡの幅Ｗ（図４を参照）を第２の歯車７２が移動する際に要する時間Ｔ０、すなわち
【数１】
（但し、ｔは一定の条件の開始時、Ｖは第１の歯車７１と第２の歯車７２との相対移動速度）
を満たす時間Ｔ０に相当する所定時間が経過するまでの間、旋回用電動機２１の出力トルクを例えば段階的に制限する。言い換えると、旋回制限部４１は、第２の歯車７２の歯７２ｂがバックラッシュＡの幅Ｗを移動するときの所要時間がＴ０となるように、旋回用電動機２１の出力トルクを制限する。なお、この旋回制限部４１には、レゾルバ２２から出力された旋回用電動機２１の回転速度ＶＭと、旋回機構３を旋回させるための操作装置２６への操作入力に応じたコントローラ３０からの回転速度指令値ＶＭ＊との差分が入力される。
【００３４】
ＰＩ制御部４２は、入力に対して比例ゲインおよび積分ゲインを乗算するための部分である。ＰＩ制御部４２には、旋回制限部４１からの出力と、インバータ回路２０Ａから旋回用電動機２１へ提供される駆動信号との差分が入力される。なお、ＰＩ制御部４２の出力は、駆動信号としてインバータ回路２０Ａに提供される。
【００３５】
ここで、図６は、旋回体４の旋回速度の時間変化の一例を示すグラフである。図２に示した操作装置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、旋回体４が静止した状態すなわち旋回速度がゼロの状態（時刻ｔ０）から、或る回転方向に正の旋回加速度（すなわち駆動トルク）が与えられ、旋回速度が増していく。その後、旋回加速度が小さくなり、或る時刻ｔ１において定速旋回（旋回速度Ｖ０）となる。そして、この定速旋回によって所望の旋回位置が得られると、操作装置２６に対する再度の操作によって旋回用電動機２１の回生制御やメカニカルブレーキ２３等の制動動作が行われ、時刻ｔ２において逆方向の（負の）旋回加速度が与えられることにより、旋回速度が減じていく。その後、旋回体４が静止される場合には、負の旋回加速度の絶対値が徐々に小さくなり、或る時刻ｔ３に旋回速度がゼロになり旋回体４が静止する（図中のグラフＧ１）。また、旋回体４の回転の向きが変更される場合には、負の旋回加速度の絶対値がほぼ一定のまま旋回速度が負、すなわち旋回方向が逆向きとなる（図中のグラフＧ２）。
【００３６】
上述したように、第１の歯車７１と第２の歯車７２との間にはバックラッシュＡが設けられているため、旋回体４が静止状態から旋回動作へ移行する際（図６のＢ領域）、すなわち第２の歯車７２が静止状態から回転動作へ移行する際には、第２の歯車７２の歯７２ｂが第１の歯車７１の歯７１ｂに対して回転方向に既に接している場合を除いて、第２の歯車７２の歯７２ｂがバックラッシュＡ内の一定距離を移動した後に第１の歯車７１の歯７１ｂに当接する。また、旋回体４の旋回速度が減速される際もしくは旋回体４の旋回方向が変更される際（共に図６のＣ領域）、すなわち第２の歯車７２の回転速度の減速または回転方向の変更が行われる際には、第２の歯車７２の歯７２ｂがバックラッシュＡの幅Ｗを移動した後に第１の歯車７１の歯７１ｂに当接する。したがって、これらの場合にはバックラッシュＡによる衝撃等の影響が起こり易くなる。
【００３７】
そこで、本実施形態の旋回制限部４１は、これらの場合を判断して旋回用電動機２１の出力トルクを制限する。すなわち、旋回制限部４１は、旋回用電動機２１の静止状態から回転動作への移行を旋回駆動制御部４０が行う際、旋回用電動機２１の回転速度の減速を旋回駆動制御部４０が行う際、および旋回用電動機２１の回転方向の変更を旋回駆動制御部４０が行う際に、旋回用電動機２１の出力トルクを制限する。
【００３８】
図７は、旋回用電動機２１が静止状態から回転動作へ移行する際における、旋回用電動機２１の駆動軸２１Ａの回転速度の時間変化を示すグラフである。図７に示すように、旋回駆動制御部４０によるインバータ回路２０Ａの駆動が開始されると、旋回用電動機２１の回転速度は増加し始めるが、所定時間Ｔ０が経過するまでは出力トルクが段階的に増加するよう制限され、旋回用電動機２１の回転速度は所定時間Ｔ０まで低く抑えられながら僅かに増加する（図７の領域Ｄ）。その後、所定時間Ｔ０が経過すると、この制限が解除され、旋回用電動機２１の出力トルクは旋回用電動機２１の出力性能に応じた本来の傾きでもって増加する（図７の領域Ｅ）。なお、第２の歯車７２と第１の歯車７１とは、所定時間Ｔ０が経過するまでの不定のタイミングで互いに当接することとなる。
【００３９】
なお、本実施形態において、旋回制限部４１は、旋回用電動機２１の出力トルクを、図４に示したバックラッシュ幅Ｗを第２の歯車７２の歯７２ｂが移動する際に要する時間が１ミリ秒以上２００ミリ秒以下となる値に制限することが好ましい。
【００４０】
図８は、上述した機能を好適に実現するための旋回制限部４１の構成例を示すブロック図である。旋回制限部４１は、例えばリミット部４１ａ、判断部４１ｂ、及びＰＩ制御部４１ｃによって構成される。リミット部４１ａは、旋回用電動機２１の出力トルクを制限するための要素であり、具体的には、ＰＩ制御部４１ｃに入力される旋回用電動機２１の回転速度ＶＭと回転速度指令値ＶＭ＊との差分に制限を加える。また、判断部４１ｂは、回転速度ＶＭと回転速度指令値ＶＭ＊との差分に基づいて、リミット部４１ａが旋回用電動機２１の出力トルクを制限するタイミング、具体的には旋回用電動機２１の静止状態から回転動作への移行、旋回用電動機２１の回転速度の減速、および旋回用電動機２１の回転方向の変更の各タイミングを判断し、リミット部４１ａに指令を与える。ＰＩ制御部４１ｃは、リミット部４１ａの出力に対して比例ゲインおよび積分ゲインを乗算する。
【００４１】
本実施形態のサーボ制御システム８０においては、旋回制限部４１が、第１の歯車７１と第２の歯車７２とのバックラッシュＡによって衝撃が発生するような場合を判断し、旋回用電動機２１の出力トルクを制限する。これにより、機械要素の追加を必要とすることなくバックラッシュＡによる衝撃を低減することが可能となる。また、旋回制限部４１は、旋回用電動機２１の出力トルクを制限する際、第１の歯車７１及び第２の歯車７２におけるバックラッシュ幅Ｗを第２の歯車７２が移動する際に要する時間Ｔ０に相当する所定時間が経過するまでの間に限り、旋回用電動機２１の出力トルクを制限するので、操作入力に対する旋回体４の応答性を確保できる。更に、第２の歯車７２の歯７２ｂと第１の歯車７１の歯７１ｂとの間隔がバックラッシュ幅Ｗを超えることはないので、第２の歯車７２の歯７２ｂが第１の歯車７１の歯７１ｂに対して予めどのような位置にあったとしても、バックラッシュＡによる衝撃を効果的に低減できる。
【００４２】
また、旋回用電動機２１の出力トルクの制限値を小さくし過ぎると、操作者の指示入力に対して旋回体４が旋回動作を開始するタイミングが遅れ、応答性の低下を招き操作者を不快にしてしまう。前述したように、或る操作に対して対象物が動作を開始するまでの時間が２００ミリ秒を超えると、操作者が不快に感じる傾向がある。そこで、第２の歯車７２の歯７２ｂがバックラッシュ幅Ｗを移動する際に要する時間が上記範囲内となるように、すなわちバックラッシュ幅Ｗを第２の歯車７２が移動する際に要する時間が１ミリ秒以上２００ミリ秒以下となるように旋回用電動機２１の出力トルクの制限値を設定することによって、バックラッシュＡによる衝撃を低減しつつ、操作者が不快に感じない程度に応答性を高めることができる。
【００４３】
本発明によるサーボ制御システムおよび作業機械は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では作業機械としてハイブリッド建設機械を例示して説明したが、回転体を歯車を介して電動機によって駆動する機構を備えるものであれば、例えばショベルやホイルローダ、クレーンといった他の作業機械にも本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１…ハイブリッド型建設機械、２…走行機構、２ａ…油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、２０Ａ，２０Ｂ…インバータ回路、２１…旋回用電動機、２１Ａ…駆動軸、２２…レゾルバ、２３…メカニカルブレーキ、２４…旋回減速機、３０…コントローラ、４０…旋回駆動制御部、４１…旋回制限部、４１ａ…リミット部、４１ｂ…判断部、４１ｃ，４２…ＰＩ制御部、７０…駆動力伝達機構、７１…第１の歯車、７２…第２の歯車、８０…サーボ制御システム、１００…昇降圧コンバータ、１１０…バス、１２０…蓄電手段、Ａ…バックラッシュ、Ｇ…吊荷、Ｗ…バックラッシュ幅。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーボ制御システムおよび作業機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
或る負荷軸を歯車を介してモータによって駆動する方式は、例えばクレーン車両やリフティングマグネット車両といった旋回式作業機械等において多く用いられている。このような方式で負荷軸を駆動する場合、歯車同士のバックラッシュ（Ｂａｃｋｌａｓｈ；バックラッシともいう）が問題となる。すなわち、相互に噛み合った２枚の歯車を介して駆動力を伝達する構造では、これらの歯車の回転方向に隙間（バックラッシュ）が設けられており、この隙間によって各歯車が滑らかに回転できる。しかし、この隙間に起因して、静止状態から回転動作を開始する際、回転速度を減速する際、または回転方向を逆向きに変更する際などに、駆動側の歯車の歯が負荷側の歯車の歯に勢い良く衝突し、その衝撃が、振動や騒音の発生、或いは機械の寿命低下の一因となる。
【０００３】
このような問題を解決するための技術として、例えば一つの負荷軸に二つの駆動軸を配置し、一の方向に負荷軸を回転させる場合には一方の駆動軸を用い、他の方向に負荷軸を回転させる場合には他方の駆動軸を用いる方式がある（特許文献１の図８を参照）。この方式では、各駆動軸に回転方向のトルクを常に加えておくことにより、上述したバックラッシュによる問題を解決できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−５１７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の図８に記載された方式では、二つの駆動軸のそれぞれにモータを用意する必要があるので、機械要素が増加してしまう。したがって、信頼性の低下や製造コストの上昇を招き、装置の小型化を妨げる一因ともなる。
【０００６】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、機械要素の増加を抑えつつバックラッシュによる影響を低減できるサーボ制御システムおよび作業機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題を解決するために、本発明によるサーボ制御システムは、負荷となる回転体に連結された第１の歯車と、第１の歯車と噛み合い、第１の歯車を駆動する第２の歯車と、第２の歯車を駆動する電動機と、電動機の動作を制御する制御部とを備え、制御部は、電動機の出力トルクを制限するためのトルク制限部を有しており、トルク制限部が、電動機の静止状態から回転動作への移行、電動機の回転速度の減速、または電動機の回転方向の変更を行う際に、第１及び第２の歯車におけるバックラッシュ幅を第２の歯車が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、電動機の出力トルクを制限することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による作業機械は、旋回体および該旋回体に配置された運転室を備える作業機械であって、旋回体に連結された第１の歯車と、第１の歯車と噛み合い、第１の歯車を駆動する第２の歯車と、第２の歯車を駆動する旋回用電動機と、旋回用電動機の動作を制御する制御部とを備え、制御部が、旋回用電動機の出力トルクを制限するためのトルク制限部を有しており、トルク制限部は、旋回用電動機の静止状態から回転動作への移行、旋回用電動機の回転速度の減速、または旋回用電動機の回転方向の変更を行う際に、第１及び第２の歯車におけるバックラッシュ幅を第２の歯車が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、旋回用電動機の出力トルクを制限することを特徴とする。
【０００９】
上述したサーボ制御システムおよび作業機械においては、トルク制限部が、一定の場合に（旋回用）電動機の出力トルクを制限する。ここで、一定の場合とは、すなわち第１の歯車と第２の歯車とのバックラッシュによって衝撃が発生するような場合であって、（旋回用）電動機の静止状態から回転動作への移行、（旋回用）電動機の回転速度の減速、または（旋回用）電動機の回転方向の変更の３つの場合である。これにより、機械要素の追加を必要とすることなくバックラッシュによる衝撃を低減することが可能となる。また、トルク制限部は、上述した各場合に（旋回用）電動機の出力トルクを制限する際、第１及び第２の歯車におけるバックラッシュ幅を第２の歯車が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間に限り、（旋回用）電動機の出力トルクを制限する。このような所定時間に限って（旋回用）電動機の出力トルクを制限することにより、操作入力に対する回転体（旋回体）の応答性を確保できる。更に、第２の歯車の歯と第１の歯車の歯との間隔がバックラッシュ幅を超えることはないので、第２の歯車の歯が第１の歯車の歯に対してどのような位置にあったとしても、バックラッシュによる衝撃を効果的に低減できる。
【００１０】
また、上記作業機械は、トルク制限部が、旋回用電動機の出力トルクを、バックラッシュ幅を第２の歯車が移動する際に要する時間が１ミリ秒以上２００ミリ秒以下となる値に制限することを特徴としてもよい。上記作業機械において、旋回用電動機の出力トルクの制限値を小さくし過ぎると、操作者の指示入力に対して旋回体が旋回動作を開始するタイミングが遅れ、応答性の低下を招き操作者を不快にしてしまう。本発明者の知見によれば、或る操作に対して対象物が動作を開始するまでの時間が２００ミリ秒を超えると、操作者が不快に感じる傾向がある。そこで、第２の歯車がバックラッシュ幅を移動する際に要する時間が上記範囲内となるように旋回用電動機の出力トルクの制限値を設定することによって、バックラッシュによる衝撃を低減しつつ、操作者が不快に感じない程度に応答性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によるサーボ制御システムおよび作業機械によれば、機械要素の増加を抑えつつバックラッシュによる影響を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るサーボ制御システムを備える作業機械の一例として、ハイブリッド型建設機械１の外観を示す斜視図である。
【図２】ハイブリッド型建設機械１の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。
【図３】図２における蓄電手段１２０の内部構成を示す図である。
【図４】旋回機構３の内部に設けられた駆動力伝達機構７０の構成を示す平面図である。
【図５】旋回機構３を駆動するためのサーボ制御システム８０の構成を示すブロック図である。
【図６】旋回体４の旋回速度の時間変化の一例を示すグラフである。
【図７】旋回用電動機２１が静止状態から回転動作へ移行する際における、旋回用電動機２１の駆動軸２１Ａの回転速度の時間変化を示すグラフである。
【図８】旋回制限部４１の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるサーボ制御システムおよび作業機械の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明に係るサーボ制御システムを備える作業機械の一例として、ハイブリッド型建設機械１の外観を示す斜視図である。図１に示すように、ハイブリッド型建設機械１はいわゆるリフティングマグネット車両であり、無限軌道を含む走行機構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旋回体４とを備えている。なお、旋回体４は、本実施形態における回転体の一例である。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リフティングマグネット７とが取り付けられている。リフティングマグネット７は、鋼材などの吊荷Ｇを磁力により吸着して捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びリフティングマグネット７は、それぞれブームシリンダ８、アームシリンダ９、及びバケットシリンダ１０によって油圧駆動される。また、旋回体４には、リフティングマグネット７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。
【００１５】
また、ハイブリッド型建設機械１はサーボ制御ユニット６０を備えている。サーボ制御ユニット６０は、旋回機構３やリフティングマグネット７といった作業要素を駆動するための交流電動機や、エンジン１１をアシストするための電動発電機、並びに蓄電池（バッテリー）の充放電を制御する。サーボ制御ユニット６０は、直流電力を交流電力に変換して交流電動機や電動発電機を駆動するためのインバータ回路、バッテリーの充放電を制御する昇降圧コンバータ回路といった複数のドライバ回路と、該複数のドライバ回路を制御するためのコントローラとを備えている。
【００１６】
図２は、本実施形態のハイブリッド型建設機械１の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。なお、図２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。また、図３は、図２における蓄電手段１２０の内部構成を示す図である。
【００１７】
図２に示すように、ハイブリッド型建設機械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がこのエンジン１１を作業要素として駆動することによりエンジン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替えは、ハイブリッド型建設機械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。
【００１８】
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、ハイブリッド型建設機械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１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８、アームシリンダ９、及びバケットシリンダ１０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。
【００１９】
電動発電機１２の電気的な端子には、インバータ回路１８Ａの出力端が接続されている。インバータ回路１８Ａの入力端には、蓄電手段１２０が接続されている。蓄電手段１２０は、図３に示すように、ＤＣバス１１０、昇降圧コンバータ１００及びバッテリ１９を備えている。すなわち、インバータ回路１８Ａの入力端は、ＤＣバス１１０を介して昇降圧コンバータ１００の入力端に接続されることとなる。昇降圧コンバータ１００の出力端には、蓄電池としてのバッテリ１９が接続されている。バッテリ１９は、例えばキャパシタ型蓄電池によって構成される。バッテリ１９の大きさの一例としては、電圧２．５Ｖ、容量２４００Ｆのキャパシタが１４４個直列に接続されたもの（すなわち、両端電圧３６０Ｖ）が好適である。
【００２０】
インバータ回路１８Ａは、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。すなわち、インバータ回路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１９と昇降圧コンバータ１００からＤＣバス１１０を介して電動発電機１２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１１０及び昇降圧コンバータ１００を介してバッテリ１９に充電する。なお、昇降圧コンバータ１００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基づき、コントローラ３０によって行われる。これにより、ＤＣバス１１０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。
【００２１】
なお、本実施形態の昇降圧コンバータ１００はスイッチング制御方式を備えており、図３に示すように、互いに直列に接続されたトランジスタ１００Ｂ及び１００Ｃと、これらの接続点とバッテリ１９の正側端子との間に接続されたリアクトル１０１と、トランジスタ１００Ｂに対し逆方向に並列接続されたダイオード１００ｂと、トランジスタ１００Ｃに対し逆方向に並列接続されたダイオード１００ｃと、平滑用のコンデンサ１００ｄとを有する。トランジスタ１００Ｂ及び１００Ｃは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成される。直流電力をバッテリ１９からＤＣバス１１０へ供給する際には、コントローラ３０からの指令によってトランジスタ１００ＢのゲートにＰＷＭ（PulseWidth Modulation）電圧が印加される。そして、トランジスタ１００Ｂのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がダイオード１００ｃを介して伝達され、この電力がコンデンサ１００ｄにより平滑化される。また、直流電力をＤＣバス１１０からバッテリ１９へ供給する際には、コントローラ３０からの指令によってトランジスタ１００ＣのゲートにＰＷＭ電圧が印加されるとともに、トランジスタ１００Ｃから出力される電流がリアクトル１０１により平滑化される。
【００２２】
再び図２を参照すると、蓄電手段１２０には、インバータ回路２０Ｂを介してリフティングマグネット７が接続されている。リフティングマグネット７は、金属物を磁気的に吸着させるための磁力を発生する電磁石を含んでおり、インバータ回路２０Ｂを介して蓄電手段１２０から電力が供給される。インバータ回路２０Ｂは、コントローラ３０からの指令に基づき、電磁石をオンにする際には、リフティングマグネット７へ要求された電力を蓄電手段１２０より供給する。また、電磁石をオフにする場合には、回生された電力を蓄電手段１２０に供給する。
【００２３】
更に、蓄電手段１２０には、インバータ回路２０Ａが接続されている。インバータ回路２０Ａの一端には旋回用電動機２１が接続されており、インバータ回路２０Ａの他端は蓄電手段１２０のＤＣバス１１０に接続されている。旋回用電動機２１は、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の駆動軸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。
【００２４】
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。旋回用電動機２１は、ＰＷＭ制御信号によりインバータ回路２０Ａ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。
【００２５】
レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の駆動軸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駆動軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が駆動軸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の駆動軸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の駆動軸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。
【００２６】
なお、ＤＣバス１１０には、インバータ回路１８Ａ、２０Ａ及び２０Ｂを介して、電動発電機１２、旋回用電動機２１、及びリフティングマグネット７が接続されているので、電動発電機１２で発電された電力がリフティングマグネット７又は旋回用電動機２１に直接的に供給される場合もあり、リフティングマグネット７で回生された電力が電動発電機１２又は旋回用電動機２１に供給される場合もあり、さらに、旋回用電動機２１で回生された電力が電動発電機１２又はリフティングマグネット７に供給される場合もある。
【００２７】
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、及びリフティングマグネット７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。
【００２８】
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。
【００２９】
コントローラ３０は、旋回駆動制御部４０及び駆動制御部５０を含み、ＣＰＵ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の電源は、バッテリ１９とは別のバッテリ（例えば２４Ｖ車載バッテリ）である。旋回駆動制御部４０は、圧力センサ２９から入力される信号のうち、旋回機構３を旋回させるための操作量を表す信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。駆動制御部５０は、電動発電機１２の運転制御（アシスト運転及び発電運転の切り替え）、リフティングマグネット７の駆動制御（励磁と消磁の切り替え）、並びに、昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるバッテリ１９の充放電制御を行う。
【００３０】
図４は、旋回機構３の内部に設けられた駆動力伝達機構７０の構成を示す平面図である。図４に示すように、本実施形態の駆動力伝達機構７０は、第１の歯車７１および第２の歯車７２を含んで構成されている。第１の歯車７１は、負荷となる旋回体４に連結されており、本実施形態では円環状の部材に内歯車７１ａが形成されて成る。この円環状部材の中心は、旋回体４の回転中心と一致している。第２の歯車７２は、第１の歯車７１と噛み合う平歯車７２ａを有しており、その回転軸が旋回用電動機２１の駆動軸２１Ａ（図２を参照）と連結されている。これにより、第２の歯車７２は、駆動軸２１Ａの駆動力を第１の歯車７１に伝達する。なお、駆動軸２１Ａと第２の歯車７２との連結構造としては、互いに固定されても良いし、他の歯車等の伝達機構を介して連結されても良い。
【００３１】
第１の歯車７１の内歯車７１ａと第２の歯車７２の平歯車７２ａとの間には、バックラッシュが設けられている。すなわち、図４の部分拡大図に示すように、内歯車７１ａの歯７１ｂと平歯車７２ａの歯７２ｂとの間には、これらの歯７１ｂ，７２ｂの進行方向において隙間Ａが設けられており、この隙間Ａによって第１の歯車７１及び第２の歯車７２が滑らかに回転できる。
【００３２】
図５は、旋回機構３を駆動するためのサーボ制御システム８０の構成を示すブロック図である。このサーボ制御システム８０は、図２に示したコントローラ３０の旋回駆動制御部４０、インバータ回路２０Ａおよび旋回用電動機２１と、図４に示した駆動力伝達機構７０と、図１に示した旋回体４（すなわち回転負荷）とによって構成されている。
【００３３】
旋回駆動制御部４０は、旋回制限部４１及びＰＩ制御部４２を含んで構成されている。旋回制限部４１は、本実施形態におけるトルク制限部であって、旋回用電動機２１の出力トルクを制限するために設けられている。旋回制限部４１は、或る一定の条件の場合に、第１の歯車７１と第２の歯車７２との間のバックラッシュＡの幅Ｗ（図４を参照）を第２の歯車７２が移動する際に要する時間Ｔ０、すなわち
【数１】
（但し、ｔは一定の条件の開始時、Ｖは第１の歯車７１と第２の歯車７２との相対移動速度）
を満たす時間Ｔ０に相当する所定時間が経過するまでの間、旋回用電動機２１の出力トルクを例えば段階的に制限する。言い換えると、旋回制限部４１は、第２の歯車７２の歯７２ｂがバックラッシュＡの幅Ｗを移動するときの所要時間がＴ０となるように、旋回用電動機２１の出力トルクを制限する。なお、この旋回制限部４１には、レゾルバ２２から出力された旋回用電動機２１の回転速度ＶＭと、旋回機構３を旋回させるための操作装置２６への操作入力に応じたコントローラ３０からの回転速度指令値ＶＭ＊との差分が入力される。
【００３４】
ＰＩ制御部４２は、入力に対して比例ゲインおよび積分ゲインを乗算するための部分である。ＰＩ制御部４２には、旋回制限部４１からの出力と、インバータ回路２０Ａから旋回用電動機２１へ提供される駆動信号との差分が入力される。なお、ＰＩ制御部４２の出力は、駆動信号としてインバータ回路２０Ａに提供される。
【００３５】
ここで、図６は、旋回体４の旋回速度の時間変化の一例を示すグラフである。図２に示した操作装置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、旋回体４が静止した状態すなわち旋回速度がゼロの状態（時刻ｔ０）から、或る回転方向に正の旋回加速度（すなわち駆動トルク）が与えられ、旋回速度が増していく。その後、旋回加速度が小さくなり、或る時刻ｔ１において定速旋回（旋回速度Ｖ０）となる。そして、この定速旋回によって所望の旋回位置が得られると、操作装置２６に対する再度の操作によって旋回用電動機２１の回生制御やメカニカルブレーキ２３等の制動動作が行われ、時刻ｔ２において逆方向の（負の）旋回加速度が与えられることにより、旋回速度が減じていく。その後、旋回体４が静止される場合には、負の旋回加速度の絶対値が徐々に小さくなり、或る時刻ｔ３に旋回速度がゼロになり旋回体４が静止する（図中のグラフＧ１）。また、旋回体４の回転の向きが変更される場合には、負の旋回加速度の絶対値がほぼ一定のまま旋回速度が負、すなわち旋回方向が逆向きとなる（図中のグラフＧ２）。
【００３６】
上述したように、第１の歯車７１と第２の歯車７２との間にはバックラッシュＡが設けられているため、旋回体４が静止状態から旋回動作へ移行する際（図６のＢ領域）、すなわち第２の歯車７２が静止状態から回転動作へ移行する際には、第２の歯車７２の歯７２ｂが第１の歯車７１の歯７１ｂに対して回転方向に既に接している場合を除いて、第２の歯車７２の歯７２ｂがバックラッシュＡ内の一定距離を移動した後に第１の歯車７１の歯７１ｂに当接する。また、旋回体４の旋回速度が減速される際もしくは旋回体４の旋回方向が変更される際（共に図６のＣ領域）、すなわち第２の歯車７２の回転速度の減速または回転方向の変更が行われる際には、第２の歯車７２の歯７２ｂがバックラッシュＡの幅Ｗを移動した後に第１の歯車７１の歯７１ｂに当接する。したがって、これらの場合にはバックラッシュＡによる衝撃等の影響が起こり易くなる。
【００３７】
そこで、本実施形態の旋回制限部４１は、これらの場合を判断して旋回用電動機２１の出力トルクを制限する。すなわち、旋回制限部４１は、旋回用電動機２１の静止状態から回転動作への移行を旋回駆動制御部４０が行う際、旋回用電動機２１の回転速度の減速を旋回駆動制御部４０が行う際、および旋回用電動機２１の回転方向の変更を旋回駆動制御部４０が行う際に、旋回用電動機２１の出力トルクを制限する。
【００３８】
図７は、旋回用電動機２１が静止状態から回転動作へ移行する際における、旋回用電動機２１の駆動軸２１Ａの回転速度の時間変化を示すグラフである。図７に示すように、旋回駆動制御部４０によるインバータ回路２０Ａの駆動が開始されると、旋回用電動機２１の回転速度は増加し始めるが、所定時間Ｔ０が経過するまでは出力トルクが段階的に増加するよう制限され、旋回用電動機２１の回転速度は所定時間Ｔ０まで低く抑えられながら僅かに増加する（図７の領域Ｄ）。その後、所定時間Ｔ０が経過すると、この制限が解除され、旋回用電動機２１の出力トルクは旋回用電動機２１の出力性能に応じた本来の傾きでもって増加する（図７の領域Ｅ）。なお、第２の歯車７２と第１の歯車７１とは、所定時間Ｔ０が経過するまでの不定のタイミングで互いに当接することとなる。
【００３９】
なお、本実施形態において、旋回制限部４１は、旋回用電動機２１の出力トルクを、図４に示したバックラッシュ幅Ｗを第２の歯車７２の歯７２ｂが移動する際に要する時間が１ミリ秒以上２００ミリ秒以下となる値に制限することが好ましい。
【００４０】
図８は、上述した機能を好適に実現するための旋回制限部４１の構成例を示すブロック図である。旋回制限部４１は、例えばリミット部４１ａ、判断部４１ｂ、及びＰＩ制御部４１ｃによって構成される。リミット部４１ａは、旋回用電動機２１の出力トルクを制限するための要素であり、具体的には、ＰＩ制御部４１ｃに入力される旋回用電動機２１の回転速度ＶＭと回転速度指令値ＶＭ＊との差分に制限を加える。また、判断部４１ｂは、回転速度ＶＭと回転速度指令値ＶＭ＊との差分に基づいて、リミット部４１ａが旋回用電動機２１の出力トルクを制限するタイミング、具体的には旋回用電動機２１の静止状態から回転動作への移行、旋回用電動機２１の回転速度の減速、および旋回用電動機２１の回転方向の変更の各タイミングを判断し、リミット部４１ａに指令を与える。ＰＩ制御部４１ｃは、リミット部４１ａの出力に対して比例ゲインおよび積分ゲインを乗算する。
【００４１】
本実施形態のサーボ制御システム８０においては、旋回制限部４１が、第１の歯車７１と第２の歯車７２とのバックラッシュＡによって衝撃が発生するような場合を判断し、旋回用電動機２１の出力トルクを制限する。これにより、機械要素の追加を必要とすることなくバックラッシュＡによる衝撃を低減することが可能となる。また、旋回制限部４１は、旋回用電動機２１の出力トルクを制限する際、第１の歯車７１及び第２の歯車７２におけるバックラッシュ幅Ｗを第２の歯車７２が移動する際に要する時間Ｔ０に相当する所定時間が経過するまでの間に限り、旋回用電動機２１の出力トルクを制限するので、操作入力に対する旋回体４の応答性を確保できる。更に、第２の歯車７２の歯７２ｂと第１の歯車７１の歯７１ｂとの間隔がバックラッシュ幅Ｗを超えることはないので、第２の歯車７２の歯７２ｂが第１の歯車７１の歯７１ｂに対して予めどのような位置にあったとしても、バックラッシュＡによる衝撃を効果的に低減できる。
【００４２】
また、旋回用電動機２１の出力トルクの制限値を小さくし過ぎると、操作者の指示入力に対して旋回体４が旋回動作を開始するタイミングが遅れ、応答性の低下を招き操作者を不快にしてしまう。前述したように、或る操作に対して対象物が動作を開始するまでの時間が２００ミリ秒を超えると、操作者が不快に感じる傾向がある。そこで、第２の歯車７２の歯７２ｂがバックラッシュ幅Ｗを移動する際に要する時間が上記範囲内となるように、すなわちバックラッシュ幅Ｗを第２の歯車７２が移動する際に要する時間が１ミリ秒以上２００ミリ秒以下となるように旋回用電動機２１の出力トルクの制限値を設定することによって、バックラッシュＡによる衝撃を低減しつつ、操作者が不快に感じない程度に応答性を高めることができる。
【００４３】
本発明によるサーボ制御システムおよび作業機械は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では作業機械としてハイブリッド建設機械を例示して説明したが、回転体を歯車を介して電動機によって駆動する機構を備えるものであれば、例えばショベルやホイルローダ、クレーンといった他の作業機械にも本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１…ハイブリッド型建設機械、２…走行機構、２ａ…油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、２０Ａ，２０Ｂ…インバータ回路、２１…旋回用電動機、２１Ａ…駆動軸、２２…レゾルバ、２３…メカニカルブレーキ、２４…旋回減速機、３０…コントローラ、４０…旋回駆動制御部、４１…旋回制限部、４１ａ…リミット部、４１ｂ…判断部、４１ｃ，４２…ＰＩ制御部、７０…駆動力伝達機構、７１…第１の歯車、７２…第２の歯車、８０…サーボ制御システム、１００…昇降圧コンバータ、１１０…バス、１２０…蓄電手段、Ａ…バックラッシュ、Ｇ…吊荷、Ｗ…バックラッシュ幅。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷となる回転体に連結された第１の歯車と、
前記第１の歯車と噛み合い、前記第１の歯車を駆動する第２の歯車と、
前記第２の歯車を駆動する電動機と、
前記電動機の動作を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記電動機の出力トルクを制限するためのトルク制限部を有しており、
前記トルク制限部は、前記電動機の静止状態から回転動作への移行、前記電動機の回転速度の減速、または前記電動機の回転方向の変更を行う際に、前記第１及び第２の歯車におけるバックラッシュ幅を前記第２の歯車が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、前記電動機の出力トルクを制限する
ことを特徴とする、サーボ制御システム。
【請求項２】
旋回体および該旋回体に配置された運転室を備える作業機械であって、
前記旋回体に連結された第１の歯車と、
前記第１の歯車と噛み合い、前記第１の歯車を駆動する第２の歯車と、
前記第２の歯車を駆動する旋回用電動機と、
前記旋回用電動機の動作を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記旋回用電動機の出力トルクを制限するためのトルク制限部を有しており、
前記トルク制限部は、前記旋回用電動機の静止状態から回転動作への移行、前記旋回用電動機の回転速度の減速、または前記旋回用電動機の回転方向の変更を行う際に、前記第１及び第２の歯車におけるバックラッシュ幅を前記第２の歯車が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、前記旋回用電動機の出力トルクを制限する
ことを特徴とする、作業機械。
【請求項３】
前記トルク制限部は、前記旋回用電動機の出力トルクを、前記バックラッシュ幅を前記第２の歯車が移動する際に要する時間が１ミリ秒以上２００ミリ秒以下となる値に制限する
ことを特徴とする、請求項２に記載の作業機械。
【請求項１】
負荷となる回転体に連結された第１の歯車と、
前記第１の歯車と噛み合い、前記第１の歯車を駆動する第２の歯車と、
前記第２の歯車を駆動する電動機と、
前記電動機の動作を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記電動機の出力トルクを制限するためのトルク制限部を有しており、
前記トルク制限部は、前記電動機の静止状態から回転動作への移行、前記電動機の回転速度の減速、または前記電動機の回転方向の変更を行う際に、前記第１及び第２の歯車におけるバックラッシュ幅を前記第２の歯車が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、前記電動機の出力トルクを制限する
ことを特徴とする、サーボ制御システム。
【請求項２】
旋回体および該旋回体に配置された運転室を備える作業機械であって、
前記旋回体に連結された第１の歯車と、
前記第１の歯車と噛み合い、前記第１の歯車を駆動する第２の歯車と、
前記第２の歯車を駆動する旋回用電動機と、
前記旋回用電動機の動作を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記旋回用電動機の出力トルクを制限するためのトルク制限部を有しており、
前記トルク制限部は、前記旋回用電動機の静止状態から回転動作への移行、前記旋回用電動機の回転速度の減速、または前記旋回用電動機の回転方向の変更を行う際に、前記第１及び第２の歯車におけるバックラッシュ幅を前記第２の歯車が移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、前記旋回用電動機の出力トルクを制限する
ことを特徴とする、作業機械。
【請求項３】
前記トルク制限部は、前記旋回用電動機の出力トルクを、前記バックラッシュ幅を前記第２の歯車が移動する際に要する時間が１ミリ秒以上２００ミリ秒以下となる値に制限する
ことを特徴とする、請求項２に記載の作業機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２１５３６９（Ｐ２０１０−２１５３６９Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６４７０１（Ｐ２００９−６４７０１）
【出願日】平成２１年３月１７日（２００９．３．１７）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１７日（２００９．３．１７）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]