建設機械
【課題】電子制御系の異常判定に係る誤判定及び検出漏れの発生を抑制できる建設機械を提供すること。
【解決手段】旋回体と、旋回体を駆動する電動モータと、操作信号を操作量及び操作方向に応じて出力する操作装置と、操作信号に基づいて生成された制御信号に基づいて電動モータを制御するインバータ装置と、電動モータの速度を検出するための位置センサと、制御信号が規定する電動モータの速度指令V*から速度Vを減じた値の符号と、電動モータの加速度の符号とが異なる状態を第１条件とし、速度指令と速度の偏差が基準値Vthより大きく、かつ、加速度が基準値βthより大きい状態を第２条件としたとき、第１条件及び第２条件のうち少なくとも一方が成立するか否かを判定する第２コントローラとを備える。
【解決手段】旋回体と、旋回体を駆動する電動モータと、操作信号を操作量及び操作方向に応じて出力する操作装置と、操作信号に基づいて生成された制御信号に基づいて電動モータを制御するインバータ装置と、電動モータの速度を検出するための位置センサと、制御信号が規定する電動モータの速度指令V*から速度Vを減じた値の符号と、電動モータの加速度の符号とが異なる状態を第１条件とし、速度指令と速度の偏差が基準値Vthより大きく、かつ、加速度が基準値βthより大きい状態を第２条件としたとき、第１条件及び第２条件のうち少なくとも一方が成立するか否かを判定する第２コントローラとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
旋回体を駆動する電動モータを備える建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、建設機械においては、油圧ショベルの技術を基盤として、エンジンの燃費向上や排気ガス量の低減等を目的とした電動化が進展している。このような建設機械としては、機械各部の駆動アクチュエータとして油圧アクチュエータと電動モータを併用すると共に、油圧ポンプの原動機としてエンジンと電動モータ（発電電動機）を併用したハイブリッド建設機械がある。ハイブリッド建設機械では、油圧アクチュエータ（油圧シリンダ及び油圧モータ）を駆動して作業装置による作業動作と走行体による走行動作を行い、電動モータを駆動して旋回体（例えば、油圧ショベル等における上部旋回体）の旋回動作を行うものがある。
【０００３】
この種のハイブリッド建設機械の旋回制御としては、オペレータが旋回操作レバーを操作したときの操作量を電気信号に変換してコントローラ（例えば、インバータ装置）に入力し、このコントローラにより電動モータを制御するものがある。しかし、この一連の制御過程において、電動モータの状態を検出するセンサ（例えば、電動モータの磁極位置センサ）、コントローラ及び電動モータ等の電子制御系に異常が発生した場合には、正常な旋回制御ができず、オペレータの意図しない旋回動作が行われる可能性がある。
【０００４】
このような事態を回避するための技術としては、旋回操作レバーの操作量に基づいて生成された電動モータの速度指令（目標速度）と当該電動モータの実速度との偏差をコントローラで監視し、当該偏差が許容範囲から逸脱した場合を異常動作と判定するものがある（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２２８７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、旋回体の慣性が大きい建設機械では、速度指令と実速度が大きく乖離する場合があるため、上記技術のように速度指令と実速度の偏差の大きさのみで異常動作が発生したか否かを判定すると、不都合が生じることがある。すなわち、当該偏差の許容範囲を過小に設定すると、正常動作であるにも関わらず異常動作として誤判定されて作業効率が低下する可能性がある。一方、当該許容範囲を過大に設定すると、異常動作の検出漏れが発生して信頼性が低下する可能性がある。
【０００７】
本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は電子制御系の異常判定に係る誤判定及び検出漏れの発生を抑制できる建設機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、旋回体と、前記旋回体を駆動する電動モータと、前記電動モータを操作するための操作信号を操作量及び操作方向に応じて出力する操作装置と、前記操作信号に基づいて生成された制御信号に基づいて前記電動モータを制御する第１制御手段と、前記電動モータの実速度を検出する検出手段と、前記制御信号が規定する前記電動モータの目標速度から前記実速度を減じた値の符号と、前記電動モータの加速度の符号とが異なる状態を第１条件とし、前記目標速度と前記実速度の偏差が第１基準値より大きく、かつ、前記加速度が第２基準値より大きい状態を第２条件としたとき、前記第１条件及び前記第２条件のうち少なくとも一方が成立するか否かを判定する第２制御手段とを備えるものとする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電子制御系の異常判定に係る誤判定及び検出漏れの発生を抑制できるので、作業効率及び信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムを備えたハイブリッド油圧ショベルの外観図。
【図２】本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムの構成図。
【図３】本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムの具体的な建設機械への応用例を示す図。
【図４】本発明の実施の形態に係るインバータ装置１３及びその周辺のハードウェア構成の概略図。
【図５】本発明の実施の形態におけるメインマイコン３１の機能ブロック図。
【図６】本発明の実施の形態に係る異常検出部６５のブロック図。
【図７】速度指令V*と実速度Vの関係の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、各図では、以下に説明する第１コントローラ、第２コントローラ、第１油圧センサ及び第２油圧センサは、それぞれ、コントローラ１、コントローラ２、油圧センサ１及び油圧センサ２と表記することがある。
【００１２】
図１は本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムを備えたハイブリッド油圧ショベルの外観図である。この図に示す油圧ショベルは、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃを有する多関節型の作業装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅを有する車体１Ｂを備えている。
【００１３】
ブーム１ａは、上部旋回体１ｄに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（ブームシリンダ）３ａにより駆動される。アーム１ｂは、ブーム１ａに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（アームシリンダ）３ｂにより駆動される。バケット１ｃは、アーム１ｂに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（バケットシリンダ）３ｃにより駆動される。上部旋回体１ｄは電動モータ（旋回モータ）１６（図３参照）により旋回駆動され、下部走行体１ｅは左右の走行モータ（油圧モータ）３ｅ，３ｆ（図３参照）により駆動される。油圧シリンダ３ａ、油圧シリンダ３ｂ、油圧シリンダ３ｃ及び電動モータ１６の駆動は、上部旋回体１ｄの運転室（キャブ）内に設置され油圧操作信号を出力する操作装置４ａ，４ｂ（図３参照）によって制御される。
【００１４】
図２は本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムの構成図である。この図に示すシステムは、上部旋回体１ｄを駆動する電動モータ１６と、電動モータ１６の回転位置を検出するための位置センサ（例えば、磁極位置センサ）２４と、上部旋回体１ｄの旋回動作を操作するため油圧操作信号（パイロット圧）をその操作量及び操作方向に応じて出力する操作装置（旋回操作レバー）４ｂと、操作装置４ｂから出力される油圧操作信号の圧力を検出し、その圧力に応じた電気操作信号を出力する第１油圧センサ２０及び第２油圧センサ２１と、第１油圧センサ２０から出力される電気操作信号及び電動モータ１６の実速度V（例えば、位置センサ２４で検出される回転位置から算出できる）に基づいて電動モータ１６の目標速度V*を算出し、当該目標速度V*に応じた制御信号（速度指令）を出力する第１コントローラ１１と、第１コントローラから出力される制御信号（速度指令）に基づいて電動モータ１６を制御するインバータ装置（電力変換装置）１３と、第１コントローラ１１又はインバータ装置１３から出力される制動信号に基づいて上部旋回体１ｄを制動する旋回非常ブレーキ２５を備えている。
【００１５】
インバータ装置（電力変換装置）１３は、バッテリ等の蓄電装置１５（図３参照）に接続されており、蓄電装置１５に充電された直流電力をスイッチングにより交流電力（三相交流）に変換して電動モータ１６に供給することで電動モータ１６を制御している。また、インバータ装置１３は、スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ））を有するインバータ回路と、当該インバータ回路の駆動制御を行うドライバ回路と、当該ドライバ回路に制御信号（トルク指令）を出力してインバータ回路におけるスイッチング素子のオン・オフを制御する第２コントローラ（制御回路）２２を備えている。なお、各図では、インバータ装置１３におけるインバータ回路及びドライバ回路をスイッチング素子の一例である「ＩＧＢＴ」と表示しており、以下においてＩＧＢＴ２３と表記する場合にはインバータ回路及びドライバ回路を示すものとする。
【００１６】
第１油圧センサ２０及び第２油圧センサ２１は、後述のように、上部旋回体１ｄの左旋回と右旋回を個別に検出するように２つの油圧センサを１組にしたものとすることもできるが、図２では簡略して１つの油圧センサとして表記している。なお、本実施の形態では、操作装置４ｂから出力されるパイロット圧（油圧操作信号）を油圧センサ２０，２１で検出して電気信号に変換しているが、操作装置４ｂの操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を直接出力する構成を採用しても良い。この場合には、操作装置４ｂにおける操作レバーの回転変位を検出する位置センサ（例えば、ロータリーエンコーダ）を利用することができる。また、本実施の形態では、操作装置４ｂに２つの油圧センサ２０，２１を備えているが、例えば、油圧センサと上記位置センサの組合せ等、検出方式の異なるセンサを組み合わせて用いることもできる。このようにすればシステムの信頼性を向上できる。
【００１７】
第１油圧センサ２０から出力される電気操作信号は第１コントローラ１１に入力されており、第２油圧センサ２１から出力される電気操作信号はインバータ装置１３に設けられた第２コントローラ２２に入力されている。
【００１８】
第１コントローラ１１は、第１油圧センサ２０から出力される電気操作信号と、第２コントローラ２２を介して入力される電動モータ１６の実際の回転速度（実速度V）とに基づいて電動モータ１６の目標速度V*を算出し、当該目標速度V*に応じた制御信号（速度指令）を第２コントローラ２２に出力する。
【００１９】
第２コントローラ２２は、第１コントローラ１１から入力される速度指令（制御信号）と、機器性能の制約等（例えば、押付、電力、直流ライン電圧）で規定されるトルク制限と、位置センサ２４で検出される電動モータ１６の回転位置（実速度V）と、３相モータ電流センサ３０で検出される電流値（実電流）とを考慮して生成したトルク指令（制御信号）を出力し、当該トルク指令に基づいてＩＧＢＴ２３のオン・オフをすることで電動モータ１６を制御する（後の図５参照）。また、第２コントローラ２２は、位置センサ２４によって検出される電動モータ１６の回転位置から電動モータ１６の実速度Vを算出して第１コントローラ１１に出力（フィードバック）する。
【００２０】
なお、本実施の形態では、第１コントローラ１１からの指令値として、速度指令を出力しているが、これに代えて旋回トルク指令を用いることもできる。この場合、第２コントローラ２２は、第１コントローラ１１に電動モータ１６の実トルク値をフィードバックすることになる。
【００２１】
旋回非常ブレーキ（制動装置）２５としては、例えば、油圧ブレーキを利用することができる。油圧ブレーキは、複数の円盤と制輪子ばねにより押し付けられており、ブレーキを解除するための油圧をかけることにより、ばねの力に打ち勝ってブレーキが開放される機構となっている。
【００２２】
図３は本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムの具体的な建設機械への応用例を示す図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略することがある（後の各図においても同様とする）。
【００２３】
この図において、操作装置４ａ，４ｂは、操作レバーを備えており、当該操作レバーをオペレータが操作することにより、その操作方向及び操作量に応じたパイロット圧を発生する。パイロット圧は、パイロットポンプ（図示せず）で発生した１次圧を操作装置４ａ，４ｂの操作量に応じた２次圧に減圧することにより生成される。操作装置４ａの操作量によって規定されたパイロット圧は、スプール型の方向切換弁５ａ〜５ｆの受圧部に送られ、方向切換弁５ａ〜５ｆを図示の中立位置から切換操作する。方向切換弁５ａ〜５ｆは、エンジン７を動力とする油圧ポンプ６から発生される圧油の流れを切り換え制御し、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆの駆動を制御する。油圧配管内の圧力が過度に上昇した場合は、リリーフ弁８を介して圧油をタンク９に逃がす構造としている。油圧アクチュエータ３ａ〜３ｃは、それぞれ、ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃを駆動する油圧シリンダであり、油圧アクチュエータ３ｅ，３ｆは、下部走行体１ｅに取り付けられた左右の走行装置を駆動する油圧モータである。
【００２４】
油圧ポンプ６とエンジン７の間には動力変換機（発電電動機）１０が連結されている。この動力変換機１０は、エンジン７の動力を電気エネルギーに変換してインバータ装置１２，１３に電気エネルギーを出力する発電機としての機能に加え、蓄電装置１５から供給される電気エネルギーを利用して、油圧ポンプ６をアシスト駆動する電動機としての機能を有する。インバータ装置１２は、蓄電装置１５の電気エネルギーを交流電力に変換して動力変換機１０に供給し、油圧ポンプ６をアシスト駆動する。
【００２５】
インバータ装置１３は、動力変換機１０又は蓄電装置１５から出力される電力を電動モータ１６に供給するもので、図２のインバータ装置１３に相当する。したがって、インバータ装置１３は、図２に記載の第２コントローラ２２を有しており、第１コントローラ１１からの速度指令（制御信号）を入力して、電動モータ１６の駆動制御を行う。また、インバータ装置１３は、第１コントローラ１１から出力される速度指令によって規定される目標速度V*と、位置センサ２４の検出値から算出される電動モータ１６の実速度Vと、電動モータ１６の実速度Vの時間変化である加速度dV/dtに基づいて、電動モータ１６に係る電子制御系（電動モータ１６、位置センサ２４及びインバータ装置１３）の異常の有無を判定する。なお、操作装置４ａ，４ｂと方向切換弁５ａ〜５ｆとを繋ぐパイロット管路のうち、上部旋回体１ｄの左右方向の旋回操作を制御する２つのパイロット管路には、それぞれ第２油圧センサ２１（２１ａ，２１ｂ）が設置されている。
【００２６】
チョッパ１４は、直流電力ラインＬ１の電圧を制御する。蓄電装置１５は、チョッパ１４を介してインバータ装置１２，１３に電力を供給したり、動力変換機１０が発生した電気エネルギーや電動モータ１６から回生される電気エネルギーを蓄える。蓄電装置１５としては、キャパシタ、バッテリ、又はその両方を用いることができる。
【００２７】
第１コントローラ１１は、操作装置４ａ，４ｂと方向切換弁５ａ〜５ｆとを繋ぐパイロット管路のうち、上部旋回体１ｄの左右方向の旋回操作を制御する２つのパイロット管路にそれぞれ接続された第１油圧センサ２０（２０ａ，２０ｂ）から入力される電気操作信号に基づいて電動モータ１６の目標速度V*を算出し、当該目標速度V*に応じた制御信号（旋回操作指令）をインバータ装置１３に出力する。また、旋回制動時には、電動モータ１６から電気エネルギーを回収する動力回生制御も行う。さらに、第１コントローラ１１は、動力回生制御時や、油圧負荷が軽くて余剰電力が発生するような場合に当該回収電力や余剰電力を蓄電装置１５に蓄える制御も行う。
【００２８】
インバータ装置１２，１３、チョッパ１４及び第１コントローラ１１は、通信線Ｌ２を介して制御に必要な信号のやり取りを行う。
【００２９】
図４は本発明の実施の形態に係るインバータ装置１３及びその周辺のハードウェア構成の概略図である。この図に示すように、第２コントローラ２２は、制御手段として、メインマイコン（第１マイクロコンピュータ）３１と監視マイコン（第２マイクロコンピュータ）３２を備えている。メインマイコン３１と監視マイコン３２は、互いに独立した制御装置であり、各マイコン３１，３２には、各マイコン３１，３２と通信線Ｌ２とのインターフェースとなる通信ドライバ３３ａ，３３ｂが接続されている。
【００３０】
メインマイコン３１には、第１コントローラ１１から通信ドライバ３３ａを介して入力される速度指令と、第２油圧センサ２１から出力される電気操作信号と、位置センサ２４から出力される電動モータ１６の回転位置情報と、電流センサ３０から出力される実電流情報が入力されている。メインマイコン３１は、位置センサ２４と電流センサ３０の情報を利用して、通信線Ｌ２経由で第１コントローラ１１から入力した速度指令を満たすようにＩＧＢＴ２３に対してゲート制御信号を出力する。
【００３１】
監視マイコン３２には、第１コントローラ１１から通信ドライバ３３ｂを介して入力される速度指令と、第２油圧センサ２１から出力される電気操作信号と、位置センサ２４から出力される電動モータ１６の回転位置情報と、電流センサ３０から出力される電流情報が入力されている。監視マイコン３２は、速度指令が規定する電動モータ１６の目標速度V*と、位置センサ２４からの回転位置情報から算出される電動モータ１６の実速度Vと、電動モータ１６の実速度Vの時間変化である加速度dV/dtに基づいて、電動モータ１６に係る電子制御系の異常の有無を判定をする処理を実行する。
【００３２】
図５は本発明の実施の形態におけるメインマイコン３１の機能ブロック図である。この図に示すように、メインマイコン３１は、速度制御部６０と、トルク制御部６１と、ＰＷＭ制御部６２と、速度演算部６４と、異常判定部６５を備えており、フィードバック制御により電動モータ１６の速度を制御している。
【００３３】
速度制御部６０は、速度演算部６４で演算される実速度Vが速度指令（目標速度V*）に追従するように、トルク制御部６１に対するトルク指令を生成する処理を実行する部分である。
【００３４】
トルク制御部６１は、速度制御部６０で生成されたトルク指令に実トルクが追従するよう電圧指令を生成する処理を実行する部分である。トルク制御部６１は、さらに、油圧ショベルに係る機器性能の制約等に起因して、速度制御部６０から出力されるトルク指令に電動モータ１６を追従させることができない場合には、当該トルク指令に制限をかける処理（すなわち、速度制御部６０から出力されるトルク指令を必要に応じて低減する処理）を実行する。
【００３５】
ＰＷＭ制御部６２は、パルス幅変調方式（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）により、ゲート制御信号を生成する処理を実行する部分である。
【００３６】
速度制御部６０で生成されたトルク指令は、トルク制御部６１による補正を受けて電圧指令に変換される。トルク制御部６１で生成された電圧指令は、ＰＷＭ制御部６２に出力されてゲート制御信号に変換される。ＰＷＭ制御部６２で生成されたゲート制御信号は、ＩＧＢＴ２３に出力される。なお、本実施の形態では、電流センサ３０の実電流がトルク指令に相当する電流指令に追従するようにフィードバック制御することで、電動モータ１６のトルク制御を行っている。
【００３７】
速度演算部６４は、上部旋回体１ｄの実速度Vを演算する部分である。速度演算部６４には、位置センサ２４から出力される電動モータ１６の回転位置情報（レゾルバ信号）が入力されており、速度演算部６４は当該回転位置情報から実速度Vを算出している。
【００３８】
異常判定部６５は、第１コントローラ１１から通信ドライバ３３ａを介して受信した速度指令V*、速度演算部６４で算出した実速度Vを用いて、電子制御系に異常が発生したか否かの判定する処理（異常判定処理）を実行する部分である。次に、異常判定部６５で行われる異常判定処理について、図を用いて詳述する。
【００３９】
図６は本発明の実施の形態に係る異常検出部６５のブロック図である。この図に示すように、異常判定部６５は、加速度演算部８２と、逆転検出部８０と、速度超過検出部８１を備えている。
【００４０】
加速度演算部８２には速度演算部６４で算出される実速度Vが入力されている。加速度演算部８２は、入力された当該実速度Vを用いて加速度dV/dtを算出し、逆転検出部８０および速度超過検出部８１に出力する。なお、本実施の形態では、電動モータ１６の加速度を算出するに際して実速度Vから加速度dV/dtを算出する構成を採用したが、電動モータ１６に出力されるトルク指令（目標トルク）や、電動モータ１６が発生する実トルク（電流センサ３０の出力から算出する）から加速度dV/dtを算出してもよい。また、これらに代えて、加速度センサ又はジャイロセンサ等の加速度検出手段を設置し、当該検出手段からの出力を利用しても良い。
【００４１】
逆転検出部８０には、第１コントローラ１１から出力される速度指令（目標速度V*）と、速度演算部６４で算出される実速度Vと、加速度演算部８２で算出される加速度dV/dtが入力されている。逆転検出部８０では、目標速度V*から実速度Vを減じた値（速度偏差の値）の符号と、加速度dV/dtの符号とが異なる状態（第１条件）が成立しているか否かを判定しており、これによりオペレータの指示に対して電動モータ１６が逆回転しているか否かを判定する。図に示した例では、目標速度V*から実速度Vを減じた値の符号が「正」で、加速度dV/dtの符号が「負」の場合を検出する場合を示している。
【００４２】
速度超過検出部８１には、第１コントローラ１１から出力される速度指令（目標速度V*）と、速度演算部６４で算出される実速度Vと、加速度演算部８２で算出される加速度dV/dtが入力されている。速度超過検出部８１では、目標速度V*と実速度Vの偏差が基準値Vth（第１基準値）より大きく、かつ、加速度が基準値βth（第２基準値）より大きい状態（第２条件）が成立しているか否かを判定しており、これによりオペレータの指示に反して電動モータ１６の回転速度が超過しているか否かを判定する。このように速度偏差の大きさに加えて加速度の大きさを考慮すると、速度偏差が第１基準値Vthを超える程に大きく乖離しても、加速度が基準値βth未満のときには、当該速度偏差の乖離は上部旋回体１ｄの慣性に起因するものであり、正常な状態であると判定することができる。したがって、上部旋回体１ｄの慣性を考慮することができるので、速度偏差のみに着目した場合と比較して誤判定及び検出漏れの発生を抑制することができる。
【００４３】
異常判定部６５は、逆転検出部８０と速度超過検出部８１において、第１条件及び第２条件のうち少なくとも一方が成立する場合に、電動モータ１６に係る電子制御系に異常（例えば、ＩＧＢＴ２３又は電動モータ１６の故障や、旋回制御システム以外の異常）が発生したと判断する。本実施の形態に係る異常判定部６５は、このように異常が発生したと判断した場合には、ＩＧＢＴ２３のゲートオフ信号を出力して電動モータ１６をフリーラン状態にした後、制動信号を旋回非常ブレーキ２５に出力して電動モータ１６を制動する。このように非常ブレーキ２５を作動させると、インバータ装置１３にゼロ速度指令を出力して制御的にブレーキをかけること（すなわち、電動モータ１６が減速トルクを発生するような電圧をインバータ装置１３により印加すること）ができない場合でも、電動モータ１６を制動することができる。
【００４４】
なお、報知信号に基づいて油圧ショベルに異常が発生したことを報知する報知装置を異常判定部６５と接続し、上記と同様に第１条件及び第２条件のうち少なくとも一方が成立した場合には、上記の制動信号に代えて又は制動信号とともに当該報知装置に対して報知信号を出力し、異常が発生した旨をオペレータ又は管理者等に報知するように構成しても良い。報知装置の具体例としては、油圧ショベルにおける運転室内の運転席付近に搭載された表示装置２６（図２参照）、警告灯、警報器等がある。その際、異常が発生した旨とともに、機器の点検や修理を促すメッセージを表示装置２６上に表示しても良い。
【００４５】
ここで、上記のように構成される油圧ショベルにおいて実行される異常判定処理について、一例を挙げて説明する。図７は速度指令V*と実速度Vの関係の一例を示す図である。この図において、（ａ）と（ｂ）は停止から旋回に至る動作を表している。（ａ）は正常に電動モータ１６が加速しており、第１条件及び第２条件のいずれも成立せず、異常判定部６５では異常とは判定されない。一方、（ｂ）はオペレータの意図とは逆に回転している場合である。この場合には、目標速度V*から実速度Vを減じた値の符号は「正」であり、加速度dV/dtの符号は「負」となる。したがって、少なくとも第１条件が成立し、異常が発生したと判定されるので、異常判定部６５は旋回非常ブレーキ２５に制動信号を出力する。
【００４６】
次に、図７における（ｃ）と（ｄ）は旋回から停止に至る動作を表している。（ｃ）では、オペレータが操作装置４ｄの操作レバーを中立位置に戻すことにより速度指令をゼロとして、上部旋回体１ｄを停止させている。この場合には電動モータ１６は正常に減速しており、第１条件及び第２条件のいずれも成立せず、異常とは判定されない。一方、（ｄ）は、オペレータが逆転方向にレバーを操作することにより停止させた動作を表している。この場合は、速度指令と実速度の極性が反転し、速度偏差も過大な状態が継続するが、あくまでも正常な動作である。この場合には、目標速度V*から実速度Vを減じた値の符号は「負」であり、加速度dV/dtの符号も「負」となるため、第１条件は成立しない。また、目標速度V*と実速度Vの偏差は基準値Vthより大きいが、加速度dV/dtは正常な（ｃ）の場合と同じで基準値βthより小さいため、第２条件も成立しない。したがって、本実施の形態によれば、このような場合を誤判定することなく正常な動作であると判定することができる。
【００４７】
上記のように構成した油圧ショベルによれば、電子制御系の異常判定に係る誤判定が抑制できるので、油圧ショベルの可用性が向上し作業効率を向上できる。また、異常判定についての検出漏れが抑制できるので信頼性を向上することができる。
【００４８】
なお、上記の実施の形態では、電動モータ１６の速度（速度指令V*と実速度V）を利用することで異常判定処理を行ったが、電動モータ１６のトルク（速度制御部６０から出力されるトルク指令と、電流センサ３０から算出される実トルク）を利用しても上記と同様の処理を実行することができる。速度指令V*と実速度Vの乖離が大きい場合には判定精度が低下する傾向があるが、このようにトルクに基づいて異常判定処理を実行すると判定精度の低下を抑制することができる。
【００４９】
ところで、上記の実施の形態では、メインマイコン３１において異常判定処理を実行する場合について説明したが、監視マイコン３２に速度演算部６４及び異常判定部６５を設置することでメインマイコン３１と同様の異常判定処理機能を監視マイコン３２に実装しても良い。監視マイコン３２はメインマイコン３１と同様に、通信線Ｌ２から速度指令V*を受信し、位置センサ２４と電流センサ３０からの信号を入力している。したがって、これら各情報と速度演算部６４及び異常判定部６５を用いて図６で説明した異常判定処理を実行すればよい。そして、異常検出時には、監視マイコン３２からＩＧＢＴ３２にゲートオフ信号を出力するとともに旋回非常ブレーキに制動信号を出力する。これにより、例えば、メインマイコン３１に異常が発生して不正なモータ制御が行われた場合であっても、監視マイコン３２によって上部旋回体１ｄの旋回動作を停止させることができる。なお、監視マイコン３２ではモータ制御を行う必要はないため、監視マイコン３２にメインマイコン３１のような高い演算性能は必要なく、安価なマイコンを使うことができる。なお、上記の実施の形態のようにメインマイコン３１のみでモータ制御及び異常判定処理を実行する場合には、監視マイコン３２を省略しても良いことは言うまでもない。
【００５０】
また、監視マイコン３２とメインマイコン３１を通信可能に接続し、監視マイコン３２に上記処理を実行させることに加え、監視マイコン３１からメインマイコン３１に適当な問題を出題し、その解答結果に基づいてメインマイコンの診断を行う例題演算方式などを組み合わせてメインマイコン３１の状態を監視するようにしても良い。例えば、この種の方法として、適当な間隔でメインマイコン３１に演算をさせ、その演算結果の当否を監視マイコン３２で判定し、メインマイコン３１の状態を診断する方法がある。
【００５１】
さらに、上記の実施の形態では、通信ドライバ３３ｂを設置して監視マイコン３２に通信機能を実装させ、速度指令V*を第１コントローラ１１から直接受信する場合について説明したが、速度指令V*をメインマイコン３１経由で受信するようにすれば、通信ドライバ３３ｂを省略することができ、より低コストにシステムを構成できる。なお、このように構成する場合は、メインマイコン３１の異常時に監視マイコン３２が誤った指令値を受信し、メインマイコン３１の異常を検出できないことを防止するために、第１コントローラ１１はあらかじめ速度指令V*にチェックコードや通番を付加して送信するようにすることが好ましい。メインマイコン３１はこれらを加工せずにそのまま監視マイコン３２に送信することで、監視マイコン３２は、メインマイコン３１の異常により指令値が改ざんされていないかを判定することができる。
【００５２】
第１コントローラ１１および第２コントローラ２２の異常検出は、ここまで述べてきた実施の形態の他にも、第１コントローラ１１と第２コントローラ２２の両者で相互監視を行うことによっても実現できる。第１コントローラ１１と第２コントローラ２２の両者で相互監視を行う具体的としては、前述の例題演算や、アライブカウンタ（通信周期毎にカウントアップし、所定値に達したらクリアされるカウンタ）が更新されていることをチェックする方法等がある。
【００５３】
上記のように油圧ショベルを構成すれば、個々のコントローラを冗長化することなく、位置センサ２４、コントローラ１１，１２、インバータ装置１３、電動モータ１６のいずれの故障時においても、上部旋回体１ｄに係る電子制御系の安全性を低コストで確保することが可能となる。さらに、冗長化した一方の油圧センサ２１の出力をインバータ装置１３に入力しているため、旋回指令を演算する第１コントローラ１１や当該コントローラ１１とインバータ装置１３間の通信線Ｌ２の異常時においても旋回を継続させることができ、油圧ショベルの可用性を向上できることも本発明の効果である。
【００５４】
なお、上記では、建設機械としてクローラ式の油圧ショベルを例に挙げて説明してきたが、電動モータによって旋回駆動される上部旋回体を有する建設機械（例えば、ホイール式油圧ショベルや、クローラ式及びホイール式クレーン等）であれば、本発明は同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１Ａ…フロント装置、１Ｂ…車体、１ａ…ブーム、１ｂ…アーム、１ｃ…バケット、１ｄ…上部旋回体、１ｅ…下部走行体、３ａ…ブームシリンダ、３ｂ…アームシリンダ、３ｃ…バケットシリンダ、３ｅ…左側走行モータ、３ｆ…右側走行モータ、４ａ、４ｂ…操作装置、５ａ〜５ｆ…スプール型方向切換弁、６…油圧ポンプ、７…エンジン、８…リリーフ弁、９…圧油タンク、１０…動力変換機、１１…第１コントローラ、１２、１３…インバータ装置、１４…チョッパ、１５…蓄電装置、１６…電動モータ（旋回モータ）、２０…第１油圧センサ、２０ａ…第１油圧センサ（左側）、２０ｂ…第１油圧センサ（右側）、２１…第２油圧センサ、２１ａ…第２油圧センサ（左側）、２１ｂ…第２油圧センサ（右側）、２２…第２コントローラ、２３…ＩＧＢＴ（インバータ回路）、２４…位置センサ、２５…旋回非常ブレーキ、２６…表示装置、３０…電流センサ、３１…メインマイコン、３２…監視マイコン、３３ａ，３３ｂ…通信ドライバ、６０…速度制御部、６１…トルク制限部、６４…速度演算部、６５…異常判定部、８０…逆転検出部、８１…速度超過検出部、８２…加速度演算部、Ｌ１…直流電力ライン、Ｌ２…通信線
【技術分野】
【０００１】
旋回体を駆動する電動モータを備える建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、建設機械においては、油圧ショベルの技術を基盤として、エンジンの燃費向上や排気ガス量の低減等を目的とした電動化が進展している。このような建設機械としては、機械各部の駆動アクチュエータとして油圧アクチュエータと電動モータを併用すると共に、油圧ポンプの原動機としてエンジンと電動モータ（発電電動機）を併用したハイブリッド建設機械がある。ハイブリッド建設機械では、油圧アクチュエータ（油圧シリンダ及び油圧モータ）を駆動して作業装置による作業動作と走行体による走行動作を行い、電動モータを駆動して旋回体（例えば、油圧ショベル等における上部旋回体）の旋回動作を行うものがある。
【０００３】
この種のハイブリッド建設機械の旋回制御としては、オペレータが旋回操作レバーを操作したときの操作量を電気信号に変換してコントローラ（例えば、インバータ装置）に入力し、このコントローラにより電動モータを制御するものがある。しかし、この一連の制御過程において、電動モータの状態を検出するセンサ（例えば、電動モータの磁極位置センサ）、コントローラ及び電動モータ等の電子制御系に異常が発生した場合には、正常な旋回制御ができず、オペレータの意図しない旋回動作が行われる可能性がある。
【０００４】
このような事態を回避するための技術としては、旋回操作レバーの操作量に基づいて生成された電動モータの速度指令（目標速度）と当該電動モータの実速度との偏差をコントローラで監視し、当該偏差が許容範囲から逸脱した場合を異常動作と判定するものがある（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２２８７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、旋回体の慣性が大きい建設機械では、速度指令と実速度が大きく乖離する場合があるため、上記技術のように速度指令と実速度の偏差の大きさのみで異常動作が発生したか否かを判定すると、不都合が生じることがある。すなわち、当該偏差の許容範囲を過小に設定すると、正常動作であるにも関わらず異常動作として誤判定されて作業効率が低下する可能性がある。一方、当該許容範囲を過大に設定すると、異常動作の検出漏れが発生して信頼性が低下する可能性がある。
【０００７】
本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は電子制御系の異常判定に係る誤判定及び検出漏れの発生を抑制できる建設機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、旋回体と、前記旋回体を駆動する電動モータと、前記電動モータを操作するための操作信号を操作量及び操作方向に応じて出力する操作装置と、前記操作信号に基づいて生成された制御信号に基づいて前記電動モータを制御する第１制御手段と、前記電動モータの実速度を検出する検出手段と、前記制御信号が規定する前記電動モータの目標速度から前記実速度を減じた値の符号と、前記電動モータの加速度の符号とが異なる状態を第１条件とし、前記目標速度と前記実速度の偏差が第１基準値より大きく、かつ、前記加速度が第２基準値より大きい状態を第２条件としたとき、前記第１条件及び前記第２条件のうち少なくとも一方が成立するか否かを判定する第２制御手段とを備えるものとする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電子制御系の異常判定に係る誤判定及び検出漏れの発生を抑制できるので、作業効率及び信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムを備えたハイブリッド油圧ショベルの外観図。
【図２】本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムの構成図。
【図３】本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムの具体的な建設機械への応用例を示す図。
【図４】本発明の実施の形態に係るインバータ装置１３及びその周辺のハードウェア構成の概略図。
【図５】本発明の実施の形態におけるメインマイコン３１の機能ブロック図。
【図６】本発明の実施の形態に係る異常検出部６５のブロック図。
【図７】速度指令V*と実速度Vの関係の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、各図では、以下に説明する第１コントローラ、第２コントローラ、第１油圧センサ及び第２油圧センサは、それぞれ、コントローラ１、コントローラ２、油圧センサ１及び油圧センサ２と表記することがある。
【００１２】
図１は本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムを備えたハイブリッド油圧ショベルの外観図である。この図に示す油圧ショベルは、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃを有する多関節型の作業装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅを有する車体１Ｂを備えている。
【００１３】
ブーム１ａは、上部旋回体１ｄに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（ブームシリンダ）３ａにより駆動される。アーム１ｂは、ブーム１ａに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（アームシリンダ）３ｂにより駆動される。バケット１ｃは、アーム１ｂに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（バケットシリンダ）３ｃにより駆動される。上部旋回体１ｄは電動モータ（旋回モータ）１６（図３参照）により旋回駆動され、下部走行体１ｅは左右の走行モータ（油圧モータ）３ｅ，３ｆ（図３参照）により駆動される。油圧シリンダ３ａ、油圧シリンダ３ｂ、油圧シリンダ３ｃ及び電動モータ１６の駆動は、上部旋回体１ｄの運転室（キャブ）内に設置され油圧操作信号を出力する操作装置４ａ，４ｂ（図３参照）によって制御される。
【００１４】
図２は本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムの構成図である。この図に示すシステムは、上部旋回体１ｄを駆動する電動モータ１６と、電動モータ１６の回転位置を検出するための位置センサ（例えば、磁極位置センサ）２４と、上部旋回体１ｄの旋回動作を操作するため油圧操作信号（パイロット圧）をその操作量及び操作方向に応じて出力する操作装置（旋回操作レバー）４ｂと、操作装置４ｂから出力される油圧操作信号の圧力を検出し、その圧力に応じた電気操作信号を出力する第１油圧センサ２０及び第２油圧センサ２１と、第１油圧センサ２０から出力される電気操作信号及び電動モータ１６の実速度V（例えば、位置センサ２４で検出される回転位置から算出できる）に基づいて電動モータ１６の目標速度V*を算出し、当該目標速度V*に応じた制御信号（速度指令）を出力する第１コントローラ１１と、第１コントローラから出力される制御信号（速度指令）に基づいて電動モータ１６を制御するインバータ装置（電力変換装置）１３と、第１コントローラ１１又はインバータ装置１３から出力される制動信号に基づいて上部旋回体１ｄを制動する旋回非常ブレーキ２５を備えている。
【００１５】
インバータ装置（電力変換装置）１３は、バッテリ等の蓄電装置１５（図３参照）に接続されており、蓄電装置１５に充電された直流電力をスイッチングにより交流電力（三相交流）に変換して電動モータ１６に供給することで電動モータ１６を制御している。また、インバータ装置１３は、スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ））を有するインバータ回路と、当該インバータ回路の駆動制御を行うドライバ回路と、当該ドライバ回路に制御信号（トルク指令）を出力してインバータ回路におけるスイッチング素子のオン・オフを制御する第２コントローラ（制御回路）２２を備えている。なお、各図では、インバータ装置１３におけるインバータ回路及びドライバ回路をスイッチング素子の一例である「ＩＧＢＴ」と表示しており、以下においてＩＧＢＴ２３と表記する場合にはインバータ回路及びドライバ回路を示すものとする。
【００１６】
第１油圧センサ２０及び第２油圧センサ２１は、後述のように、上部旋回体１ｄの左旋回と右旋回を個別に検出するように２つの油圧センサを１組にしたものとすることもできるが、図２では簡略して１つの油圧センサとして表記している。なお、本実施の形態では、操作装置４ｂから出力されるパイロット圧（油圧操作信号）を油圧センサ２０，２１で検出して電気信号に変換しているが、操作装置４ｂの操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を直接出力する構成を採用しても良い。この場合には、操作装置４ｂにおける操作レバーの回転変位を検出する位置センサ（例えば、ロータリーエンコーダ）を利用することができる。また、本実施の形態では、操作装置４ｂに２つの油圧センサ２０，２１を備えているが、例えば、油圧センサと上記位置センサの組合せ等、検出方式の異なるセンサを組み合わせて用いることもできる。このようにすればシステムの信頼性を向上できる。
【００１７】
第１油圧センサ２０から出力される電気操作信号は第１コントローラ１１に入力されており、第２油圧センサ２１から出力される電気操作信号はインバータ装置１３に設けられた第２コントローラ２２に入力されている。
【００１８】
第１コントローラ１１は、第１油圧センサ２０から出力される電気操作信号と、第２コントローラ２２を介して入力される電動モータ１６の実際の回転速度（実速度V）とに基づいて電動モータ１６の目標速度V*を算出し、当該目標速度V*に応じた制御信号（速度指令）を第２コントローラ２２に出力する。
【００１９】
第２コントローラ２２は、第１コントローラ１１から入力される速度指令（制御信号）と、機器性能の制約等（例えば、押付、電力、直流ライン電圧）で規定されるトルク制限と、位置センサ２４で検出される電動モータ１６の回転位置（実速度V）と、３相モータ電流センサ３０で検出される電流値（実電流）とを考慮して生成したトルク指令（制御信号）を出力し、当該トルク指令に基づいてＩＧＢＴ２３のオン・オフをすることで電動モータ１６を制御する（後の図５参照）。また、第２コントローラ２２は、位置センサ２４によって検出される電動モータ１６の回転位置から電動モータ１６の実速度Vを算出して第１コントローラ１１に出力（フィードバック）する。
【００２０】
なお、本実施の形態では、第１コントローラ１１からの指令値として、速度指令を出力しているが、これに代えて旋回トルク指令を用いることもできる。この場合、第２コントローラ２２は、第１コントローラ１１に電動モータ１６の実トルク値をフィードバックすることになる。
【００２１】
旋回非常ブレーキ（制動装置）２５としては、例えば、油圧ブレーキを利用することができる。油圧ブレーキは、複数の円盤と制輪子ばねにより押し付けられており、ブレーキを解除するための油圧をかけることにより、ばねの力に打ち勝ってブレーキが開放される機構となっている。
【００２２】
図３は本発明の実施の形態に係る建設機械制御システムの具体的な建設機械への応用例を示す図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略することがある（後の各図においても同様とする）。
【００２３】
この図において、操作装置４ａ，４ｂは、操作レバーを備えており、当該操作レバーをオペレータが操作することにより、その操作方向及び操作量に応じたパイロット圧を発生する。パイロット圧は、パイロットポンプ（図示せず）で発生した１次圧を操作装置４ａ，４ｂの操作量に応じた２次圧に減圧することにより生成される。操作装置４ａの操作量によって規定されたパイロット圧は、スプール型の方向切換弁５ａ〜５ｆの受圧部に送られ、方向切換弁５ａ〜５ｆを図示の中立位置から切換操作する。方向切換弁５ａ〜５ｆは、エンジン７を動力とする油圧ポンプ６から発生される圧油の流れを切り換え制御し、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆの駆動を制御する。油圧配管内の圧力が過度に上昇した場合は、リリーフ弁８を介して圧油をタンク９に逃がす構造としている。油圧アクチュエータ３ａ〜３ｃは、それぞれ、ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃを駆動する油圧シリンダであり、油圧アクチュエータ３ｅ，３ｆは、下部走行体１ｅに取り付けられた左右の走行装置を駆動する油圧モータである。
【００２４】
油圧ポンプ６とエンジン７の間には動力変換機（発電電動機）１０が連結されている。この動力変換機１０は、エンジン７の動力を電気エネルギーに変換してインバータ装置１２，１３に電気エネルギーを出力する発電機としての機能に加え、蓄電装置１５から供給される電気エネルギーを利用して、油圧ポンプ６をアシスト駆動する電動機としての機能を有する。インバータ装置１２は、蓄電装置１５の電気エネルギーを交流電力に変換して動力変換機１０に供給し、油圧ポンプ６をアシスト駆動する。
【００２５】
インバータ装置１３は、動力変換機１０又は蓄電装置１５から出力される電力を電動モータ１６に供給するもので、図２のインバータ装置１３に相当する。したがって、インバータ装置１３は、図２に記載の第２コントローラ２２を有しており、第１コントローラ１１からの速度指令（制御信号）を入力して、電動モータ１６の駆動制御を行う。また、インバータ装置１３は、第１コントローラ１１から出力される速度指令によって規定される目標速度V*と、位置センサ２４の検出値から算出される電動モータ１６の実速度Vと、電動モータ１６の実速度Vの時間変化である加速度dV/dtに基づいて、電動モータ１６に係る電子制御系（電動モータ１６、位置センサ２４及びインバータ装置１３）の異常の有無を判定する。なお、操作装置４ａ，４ｂと方向切換弁５ａ〜５ｆとを繋ぐパイロット管路のうち、上部旋回体１ｄの左右方向の旋回操作を制御する２つのパイロット管路には、それぞれ第２油圧センサ２１（２１ａ，２１ｂ）が設置されている。
【００２６】
チョッパ１４は、直流電力ラインＬ１の電圧を制御する。蓄電装置１５は、チョッパ１４を介してインバータ装置１２，１３に電力を供給したり、動力変換機１０が発生した電気エネルギーや電動モータ１６から回生される電気エネルギーを蓄える。蓄電装置１５としては、キャパシタ、バッテリ、又はその両方を用いることができる。
【００２７】
第１コントローラ１１は、操作装置４ａ，４ｂと方向切換弁５ａ〜５ｆとを繋ぐパイロット管路のうち、上部旋回体１ｄの左右方向の旋回操作を制御する２つのパイロット管路にそれぞれ接続された第１油圧センサ２０（２０ａ，２０ｂ）から入力される電気操作信号に基づいて電動モータ１６の目標速度V*を算出し、当該目標速度V*に応じた制御信号（旋回操作指令）をインバータ装置１３に出力する。また、旋回制動時には、電動モータ１６から電気エネルギーを回収する動力回生制御も行う。さらに、第１コントローラ１１は、動力回生制御時や、油圧負荷が軽くて余剰電力が発生するような場合に当該回収電力や余剰電力を蓄電装置１５に蓄える制御も行う。
【００２８】
インバータ装置１２，１３、チョッパ１４及び第１コントローラ１１は、通信線Ｌ２を介して制御に必要な信号のやり取りを行う。
【００２９】
図４は本発明の実施の形態に係るインバータ装置１３及びその周辺のハードウェア構成の概略図である。この図に示すように、第２コントローラ２２は、制御手段として、メインマイコン（第１マイクロコンピュータ）３１と監視マイコン（第２マイクロコンピュータ）３２を備えている。メインマイコン３１と監視マイコン３２は、互いに独立した制御装置であり、各マイコン３１，３２には、各マイコン３１，３２と通信線Ｌ２とのインターフェースとなる通信ドライバ３３ａ，３３ｂが接続されている。
【００３０】
メインマイコン３１には、第１コントローラ１１から通信ドライバ３３ａを介して入力される速度指令と、第２油圧センサ２１から出力される電気操作信号と、位置センサ２４から出力される電動モータ１６の回転位置情報と、電流センサ３０から出力される実電流情報が入力されている。メインマイコン３１は、位置センサ２４と電流センサ３０の情報を利用して、通信線Ｌ２経由で第１コントローラ１１から入力した速度指令を満たすようにＩＧＢＴ２３に対してゲート制御信号を出力する。
【００３１】
監視マイコン３２には、第１コントローラ１１から通信ドライバ３３ｂを介して入力される速度指令と、第２油圧センサ２１から出力される電気操作信号と、位置センサ２４から出力される電動モータ１６の回転位置情報と、電流センサ３０から出力される電流情報が入力されている。監視マイコン３２は、速度指令が規定する電動モータ１６の目標速度V*と、位置センサ２４からの回転位置情報から算出される電動モータ１６の実速度Vと、電動モータ１６の実速度Vの時間変化である加速度dV/dtに基づいて、電動モータ１６に係る電子制御系の異常の有無を判定をする処理を実行する。
【００３２】
図５は本発明の実施の形態におけるメインマイコン３１の機能ブロック図である。この図に示すように、メインマイコン３１は、速度制御部６０と、トルク制御部６１と、ＰＷＭ制御部６２と、速度演算部６４と、異常判定部６５を備えており、フィードバック制御により電動モータ１６の速度を制御している。
【００３３】
速度制御部６０は、速度演算部６４で演算される実速度Vが速度指令（目標速度V*）に追従するように、トルク制御部６１に対するトルク指令を生成する処理を実行する部分である。
【００３４】
トルク制御部６１は、速度制御部６０で生成されたトルク指令に実トルクが追従するよう電圧指令を生成する処理を実行する部分である。トルク制御部６１は、さらに、油圧ショベルに係る機器性能の制約等に起因して、速度制御部６０から出力されるトルク指令に電動モータ１６を追従させることができない場合には、当該トルク指令に制限をかける処理（すなわち、速度制御部６０から出力されるトルク指令を必要に応じて低減する処理）を実行する。
【００３５】
ＰＷＭ制御部６２は、パルス幅変調方式（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）により、ゲート制御信号を生成する処理を実行する部分である。
【００３６】
速度制御部６０で生成されたトルク指令は、トルク制御部６１による補正を受けて電圧指令に変換される。トルク制御部６１で生成された電圧指令は、ＰＷＭ制御部６２に出力されてゲート制御信号に変換される。ＰＷＭ制御部６２で生成されたゲート制御信号は、ＩＧＢＴ２３に出力される。なお、本実施の形態では、電流センサ３０の実電流がトルク指令に相当する電流指令に追従するようにフィードバック制御することで、電動モータ１６のトルク制御を行っている。
【００３７】
速度演算部６４は、上部旋回体１ｄの実速度Vを演算する部分である。速度演算部６４には、位置センサ２４から出力される電動モータ１６の回転位置情報（レゾルバ信号）が入力されており、速度演算部６４は当該回転位置情報から実速度Vを算出している。
【００３８】
異常判定部６５は、第１コントローラ１１から通信ドライバ３３ａを介して受信した速度指令V*、速度演算部６４で算出した実速度Vを用いて、電子制御系に異常が発生したか否かの判定する処理（異常判定処理）を実行する部分である。次に、異常判定部６５で行われる異常判定処理について、図を用いて詳述する。
【００３９】
図６は本発明の実施の形態に係る異常検出部６５のブロック図である。この図に示すように、異常判定部６５は、加速度演算部８２と、逆転検出部８０と、速度超過検出部８１を備えている。
【００４０】
加速度演算部８２には速度演算部６４で算出される実速度Vが入力されている。加速度演算部８２は、入力された当該実速度Vを用いて加速度dV/dtを算出し、逆転検出部８０および速度超過検出部８１に出力する。なお、本実施の形態では、電動モータ１６の加速度を算出するに際して実速度Vから加速度dV/dtを算出する構成を採用したが、電動モータ１６に出力されるトルク指令（目標トルク）や、電動モータ１６が発生する実トルク（電流センサ３０の出力から算出する）から加速度dV/dtを算出してもよい。また、これらに代えて、加速度センサ又はジャイロセンサ等の加速度検出手段を設置し、当該検出手段からの出力を利用しても良い。
【００４１】
逆転検出部８０には、第１コントローラ１１から出力される速度指令（目標速度V*）と、速度演算部６４で算出される実速度Vと、加速度演算部８２で算出される加速度dV/dtが入力されている。逆転検出部８０では、目標速度V*から実速度Vを減じた値（速度偏差の値）の符号と、加速度dV/dtの符号とが異なる状態（第１条件）が成立しているか否かを判定しており、これによりオペレータの指示に対して電動モータ１６が逆回転しているか否かを判定する。図に示した例では、目標速度V*から実速度Vを減じた値の符号が「正」で、加速度dV/dtの符号が「負」の場合を検出する場合を示している。
【００４２】
速度超過検出部８１には、第１コントローラ１１から出力される速度指令（目標速度V*）と、速度演算部６４で算出される実速度Vと、加速度演算部８２で算出される加速度dV/dtが入力されている。速度超過検出部８１では、目標速度V*と実速度Vの偏差が基準値Vth（第１基準値）より大きく、かつ、加速度が基準値βth（第２基準値）より大きい状態（第２条件）が成立しているか否かを判定しており、これによりオペレータの指示に反して電動モータ１６の回転速度が超過しているか否かを判定する。このように速度偏差の大きさに加えて加速度の大きさを考慮すると、速度偏差が第１基準値Vthを超える程に大きく乖離しても、加速度が基準値βth未満のときには、当該速度偏差の乖離は上部旋回体１ｄの慣性に起因するものであり、正常な状態であると判定することができる。したがって、上部旋回体１ｄの慣性を考慮することができるので、速度偏差のみに着目した場合と比較して誤判定及び検出漏れの発生を抑制することができる。
【００４３】
異常判定部６５は、逆転検出部８０と速度超過検出部８１において、第１条件及び第２条件のうち少なくとも一方が成立する場合に、電動モータ１６に係る電子制御系に異常（例えば、ＩＧＢＴ２３又は電動モータ１６の故障や、旋回制御システム以外の異常）が発生したと判断する。本実施の形態に係る異常判定部６５は、このように異常が発生したと判断した場合には、ＩＧＢＴ２３のゲートオフ信号を出力して電動モータ１６をフリーラン状態にした後、制動信号を旋回非常ブレーキ２５に出力して電動モータ１６を制動する。このように非常ブレーキ２５を作動させると、インバータ装置１３にゼロ速度指令を出力して制御的にブレーキをかけること（すなわち、電動モータ１６が減速トルクを発生するような電圧をインバータ装置１３により印加すること）ができない場合でも、電動モータ１６を制動することができる。
【００４４】
なお、報知信号に基づいて油圧ショベルに異常が発生したことを報知する報知装置を異常判定部６５と接続し、上記と同様に第１条件及び第２条件のうち少なくとも一方が成立した場合には、上記の制動信号に代えて又は制動信号とともに当該報知装置に対して報知信号を出力し、異常が発生した旨をオペレータ又は管理者等に報知するように構成しても良い。報知装置の具体例としては、油圧ショベルにおける運転室内の運転席付近に搭載された表示装置２６（図２参照）、警告灯、警報器等がある。その際、異常が発生した旨とともに、機器の点検や修理を促すメッセージを表示装置２６上に表示しても良い。
【００４５】
ここで、上記のように構成される油圧ショベルにおいて実行される異常判定処理について、一例を挙げて説明する。図７は速度指令V*と実速度Vの関係の一例を示す図である。この図において、（ａ）と（ｂ）は停止から旋回に至る動作を表している。（ａ）は正常に電動モータ１６が加速しており、第１条件及び第２条件のいずれも成立せず、異常判定部６５では異常とは判定されない。一方、（ｂ）はオペレータの意図とは逆に回転している場合である。この場合には、目標速度V*から実速度Vを減じた値の符号は「正」であり、加速度dV/dtの符号は「負」となる。したがって、少なくとも第１条件が成立し、異常が発生したと判定されるので、異常判定部６５は旋回非常ブレーキ２５に制動信号を出力する。
【００４６】
次に、図７における（ｃ）と（ｄ）は旋回から停止に至る動作を表している。（ｃ）では、オペレータが操作装置４ｄの操作レバーを中立位置に戻すことにより速度指令をゼロとして、上部旋回体１ｄを停止させている。この場合には電動モータ１６は正常に減速しており、第１条件及び第２条件のいずれも成立せず、異常とは判定されない。一方、（ｄ）は、オペレータが逆転方向にレバーを操作することにより停止させた動作を表している。この場合は、速度指令と実速度の極性が反転し、速度偏差も過大な状態が継続するが、あくまでも正常な動作である。この場合には、目標速度V*から実速度Vを減じた値の符号は「負」であり、加速度dV/dtの符号も「負」となるため、第１条件は成立しない。また、目標速度V*と実速度Vの偏差は基準値Vthより大きいが、加速度dV/dtは正常な（ｃ）の場合と同じで基準値βthより小さいため、第２条件も成立しない。したがって、本実施の形態によれば、このような場合を誤判定することなく正常な動作であると判定することができる。
【００４７】
上記のように構成した油圧ショベルによれば、電子制御系の異常判定に係る誤判定が抑制できるので、油圧ショベルの可用性が向上し作業効率を向上できる。また、異常判定についての検出漏れが抑制できるので信頼性を向上することができる。
【００４８】
なお、上記の実施の形態では、電動モータ１６の速度（速度指令V*と実速度V）を利用することで異常判定処理を行ったが、電動モータ１６のトルク（速度制御部６０から出力されるトルク指令と、電流センサ３０から算出される実トルク）を利用しても上記と同様の処理を実行することができる。速度指令V*と実速度Vの乖離が大きい場合には判定精度が低下する傾向があるが、このようにトルクに基づいて異常判定処理を実行すると判定精度の低下を抑制することができる。
【００４９】
ところで、上記の実施の形態では、メインマイコン３１において異常判定処理を実行する場合について説明したが、監視マイコン３２に速度演算部６４及び異常判定部６５を設置することでメインマイコン３１と同様の異常判定処理機能を監視マイコン３２に実装しても良い。監視マイコン３２はメインマイコン３１と同様に、通信線Ｌ２から速度指令V*を受信し、位置センサ２４と電流センサ３０からの信号を入力している。したがって、これら各情報と速度演算部６４及び異常判定部６５を用いて図６で説明した異常判定処理を実行すればよい。そして、異常検出時には、監視マイコン３２からＩＧＢＴ３２にゲートオフ信号を出力するとともに旋回非常ブレーキに制動信号を出力する。これにより、例えば、メインマイコン３１に異常が発生して不正なモータ制御が行われた場合であっても、監視マイコン３２によって上部旋回体１ｄの旋回動作を停止させることができる。なお、監視マイコン３２ではモータ制御を行う必要はないため、監視マイコン３２にメインマイコン３１のような高い演算性能は必要なく、安価なマイコンを使うことができる。なお、上記の実施の形態のようにメインマイコン３１のみでモータ制御及び異常判定処理を実行する場合には、監視マイコン３２を省略しても良いことは言うまでもない。
【００５０】
また、監視マイコン３２とメインマイコン３１を通信可能に接続し、監視マイコン３２に上記処理を実行させることに加え、監視マイコン３１からメインマイコン３１に適当な問題を出題し、その解答結果に基づいてメインマイコンの診断を行う例題演算方式などを組み合わせてメインマイコン３１の状態を監視するようにしても良い。例えば、この種の方法として、適当な間隔でメインマイコン３１に演算をさせ、その演算結果の当否を監視マイコン３２で判定し、メインマイコン３１の状態を診断する方法がある。
【００５１】
さらに、上記の実施の形態では、通信ドライバ３３ｂを設置して監視マイコン３２に通信機能を実装させ、速度指令V*を第１コントローラ１１から直接受信する場合について説明したが、速度指令V*をメインマイコン３１経由で受信するようにすれば、通信ドライバ３３ｂを省略することができ、より低コストにシステムを構成できる。なお、このように構成する場合は、メインマイコン３１の異常時に監視マイコン３２が誤った指令値を受信し、メインマイコン３１の異常を検出できないことを防止するために、第１コントローラ１１はあらかじめ速度指令V*にチェックコードや通番を付加して送信するようにすることが好ましい。メインマイコン３１はこれらを加工せずにそのまま監視マイコン３２に送信することで、監視マイコン３２は、メインマイコン３１の異常により指令値が改ざんされていないかを判定することができる。
【００５２】
第１コントローラ１１および第２コントローラ２２の異常検出は、ここまで述べてきた実施の形態の他にも、第１コントローラ１１と第２コントローラ２２の両者で相互監視を行うことによっても実現できる。第１コントローラ１１と第２コントローラ２２の両者で相互監視を行う具体的としては、前述の例題演算や、アライブカウンタ（通信周期毎にカウントアップし、所定値に達したらクリアされるカウンタ）が更新されていることをチェックする方法等がある。
【００５３】
上記のように油圧ショベルを構成すれば、個々のコントローラを冗長化することなく、位置センサ２４、コントローラ１１，１２、インバータ装置１３、電動モータ１６のいずれの故障時においても、上部旋回体１ｄに係る電子制御系の安全性を低コストで確保することが可能となる。さらに、冗長化した一方の油圧センサ２１の出力をインバータ装置１３に入力しているため、旋回指令を演算する第１コントローラ１１や当該コントローラ１１とインバータ装置１３間の通信線Ｌ２の異常時においても旋回を継続させることができ、油圧ショベルの可用性を向上できることも本発明の効果である。
【００５４】
なお、上記では、建設機械としてクローラ式の油圧ショベルを例に挙げて説明してきたが、電動モータによって旋回駆動される上部旋回体を有する建設機械（例えば、ホイール式油圧ショベルや、クローラ式及びホイール式クレーン等）であれば、本発明は同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１Ａ…フロント装置、１Ｂ…車体、１ａ…ブーム、１ｂ…アーム、１ｃ…バケット、１ｄ…上部旋回体、１ｅ…下部走行体、３ａ…ブームシリンダ、３ｂ…アームシリンダ、３ｃ…バケットシリンダ、３ｅ…左側走行モータ、３ｆ…右側走行モータ、４ａ、４ｂ…操作装置、５ａ〜５ｆ…スプール型方向切換弁、６…油圧ポンプ、７…エンジン、８…リリーフ弁、９…圧油タンク、１０…動力変換機、１１…第１コントローラ、１２、１３…インバータ装置、１４…チョッパ、１５…蓄電装置、１６…電動モータ（旋回モータ）、２０…第１油圧センサ、２０ａ…第１油圧センサ（左側）、２０ｂ…第１油圧センサ（右側）、２１…第２油圧センサ、２１ａ…第２油圧センサ（左側）、２１ｂ…第２油圧センサ（右側）、２２…第２コントローラ、２３…ＩＧＢＴ（インバータ回路）、２４…位置センサ、２５…旋回非常ブレーキ、２６…表示装置、３０…電流センサ、３１…メインマイコン、３２…監視マイコン、３３ａ，３３ｂ…通信ドライバ、６０…速度制御部、６１…トルク制限部、６４…速度演算部、６５…異常判定部、８０…逆転検出部、８１…速度超過検出部、８２…加速度演算部、Ｌ１…直流電力ライン、Ｌ２…通信線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
旋回体と、
前記旋回体を駆動する電動モータと、
前記電動モータを操作するための操作信号を操作量及び操作方向に応じて出力する操作装置と、
前記操作信号に基づいて生成された制御信号に基づいて前記電動モータを制御する第１制御手段と、
前記電動モータの実速度を検出する検出手段と、
前記制御信号が規定する前記電動モータの目標速度から前記実速度を減じた値の符号と、前記電動モータの加速度の符号とが異なる状態を第１条件とし、前記目標速度と前記実速度の偏差が第１基準値より大きく、かつ、前記加速度が第２基準値より大きい状態を第２条件としたとき、前記第１条件及び前記第２条件のうち少なくとも一方が成立するか否かを判定する第２制御手段とを備えることを特徴とする建設機械。
【請求項２】
請求項１に記載の建設機械において、
制動信号に基づいて前記電動モータを制動する制動装置をさらに備え、
前記第２制御手段は、前記第１条件及び前記第２条件のうち少なくとも一方が成立したとき、前記制動装置に前記制動信号を出力することを特徴とする建設機械。
【請求項３】
請求項１に記載の建設機械において、
報知信号に基づいて前記建設機械に異常が発生したことを報知する報知装置をさらに備え、
前記第２制御手段は、前記第１条件及び前記第２条件のうち少なくとも一方が成立したとき、前記報知装置に前記報知信号を出力することを特徴とする建設機械。
【請求項４】
請求項１に記載の建設機械において、
前記電動モータの加速度を検出する加速度検出手段をさらに備えることを特徴とする建設機械。
【請求項５】
請求項１に記載の建設機械において、
前記電動モータの加速度は、前記制御信号が規定する前記電動モータの目標トルク、又は前記電動モータが発生する実トルクに基づいて算出されることを特徴とする建設機械。
【請求項６】
請求項１に記載の建設機械において、
前記第１制御手段と前記第２制御手段は異なる制御装置であることを特徴とする建設機械。
【請求項１】
旋回体と、
前記旋回体を駆動する電動モータと、
前記電動モータを操作するための操作信号を操作量及び操作方向に応じて出力する操作装置と、
前記操作信号に基づいて生成された制御信号に基づいて前記電動モータを制御する第１制御手段と、
前記電動モータの実速度を検出する検出手段と、
前記制御信号が規定する前記電動モータの目標速度から前記実速度を減じた値の符号と、前記電動モータの加速度の符号とが異なる状態を第１条件とし、前記目標速度と前記実速度の偏差が第１基準値より大きく、かつ、前記加速度が第２基準値より大きい状態を第２条件としたとき、前記第１条件及び前記第２条件のうち少なくとも一方が成立するか否かを判定する第２制御手段とを備えることを特徴とする建設機械。
【請求項２】
請求項１に記載の建設機械において、
制動信号に基づいて前記電動モータを制動する制動装置をさらに備え、
前記第２制御手段は、前記第１条件及び前記第２条件のうち少なくとも一方が成立したとき、前記制動装置に前記制動信号を出力することを特徴とする建設機械。
【請求項３】
請求項１に記載の建設機械において、
報知信号に基づいて前記建設機械に異常が発生したことを報知する報知装置をさらに備え、
前記第２制御手段は、前記第１条件及び前記第２条件のうち少なくとも一方が成立したとき、前記報知装置に前記報知信号を出力することを特徴とする建設機械。
【請求項４】
請求項１に記載の建設機械において、
前記電動モータの加速度を検出する加速度検出手段をさらに備えることを特徴とする建設機械。
【請求項５】
請求項１に記載の建設機械において、
前記電動モータの加速度は、前記制御信号が規定する前記電動モータの目標トルク、又は前記電動モータが発生する実トルクに基づいて算出されることを特徴とする建設機械。
【請求項６】
請求項１に記載の建設機械において、
前記第１制御手段と前記第２制御手段は異なる制御装置であることを特徴とする建設機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−５４６９（Ｐ２０１３−５４６９Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３０６３０（Ｐ２０１１−１３０６３０）
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
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