建筑机械的转动驱动装置 【技术领域】
本发明涉及建筑机械的转动驱动装置，它使用电动马达驱动转动系统。
背景技术
通常，液压致动器被广泛地采用作为建筑机械的致动器。但是，使用液压致动器的液压驱动系统，为了控制从液压泵排出的加压油的方向和流速所使用的控制阀会产生阻力，在管道中有压力损失，在管路中有过大的流量以及类似的情况，因此它的效率很低。
所以为了提高效率，已知采用电动马达作为致动器。
例如，在公开的日本专利申请2001-11897号描述的“建筑机械转动驱动装置”中，采用电动马达作为转动上转动体的转动马达。
但是，在应用电动马达作为建筑机械的致动时，致动器对杆操作地响应性与液压驱动系统相比变得太灵敏，尽管可以提高效率。
例如当在中间区操作杆以使改变电动马达的速度时，电动马达的速度会突然改变，因而造成晃动或冲击。
在采用电动马达驱动前附件的情况下，电动马达的突然停止会造成附件的弹性变形，反过来导致它向后反弹。因此，对电动马达驱动这种致动器过度灵敏的响应性麻烦地损害了可操作性，不如液压驱动系统。
为了解决这个问题，可以应用为已知技术的模型跟踪控制。例如，这种技术包括应用普通模型如一级滞后来控制致动器，它可以提供计划的响应性，以便跟踪普通模型的响应性。
但是，在这样普通的模型跟踪控制中，对杆的操作常出现固定的的响应滞后，这是因为使用这样简单的一级滞后线性模型作为法向模型的缘故。而且，还存在这样的问题，滞后还伴随着突然的操作，它使得不能很快的加速或制动。
还有，用这样简单的线性模型，不能按照操作者的意愿对可操作性进行细调。
【发明内容】
考虑到上述的在常规致动器驱动装置中的各种问题，已经完成了本发明。所以，本发明的目的是提供一种建筑机械的转动驱动装置，它采用电动马达驱动转动系统，可以缓和地响应在中间区杆的操作，和迅速响应杆的快速操作。
本发明提供的建筑机械转动驱动装置包括驱动建筑机械转动系统的电动马达、指挥电动马达操作的操作部件、和按照从操作部件来的操作指令控制电动马达的控制器，其中控制器有实时仿真液压转动驱动装置动态特征的仿真模型，和控制目标值是按照从操作部件来的操作指令由仿真模型计算得出用于控制电动马达。
按照本发明，当操作该操作部件时，控制器按照液压转动驱动装置的动态特征仿真，例如实时的转速或驱动力矩，或者它们两者，参考仿真模型以便计算出控制的目标值。然后控制器控制电动马达，瞄准例如速度控制或力矩控制，或者它们两者的控制目标值。因此，即使在用电动马达驱动转动系统的情况下，仍可以做到对操作部件的操作响应性几乎等于液压驱动系统的响应性。
在本发明中，仿真模型优选地有分别作为液压设备的液压泵、液压致动器和各种阀的特性。
在本发明中，优选地将输入单元连接到控制器，从而通过输入单元可以改变仿真模型中的每种特性。因此，可以控制操作者的意愿细调可操作性。
在本发明中，优选地仿真模型有作为阀的流量控制阀或压力控制阀的非线性特性。
这种非线性特征在操作作为操作部件的杆在中间区时，能产生适当的响应滞后，以便防止发生晃动、反弹或冲击，在快速操作杆时，还能形成快速或制动而几乎不会产生响应滞后。
在本发明中，选择任何一个或两个或多个外部能源、装在内部的电池、由引擎驱动的电动马达、和电容器作为建筑机械的能源。
在本发明中，建筑机械作为转动系统可以有，具体地说，至少一个有转动马达作为驱动源的转动系统，有卷扬马达作为驱动源的升降系统，和有行进马达作为驱动源的行进系统。
【附图说明】
图1是液压挖掘机的表示图，本发明的转动驱动装置应用于该挖掘机；
图2是表示本发明转动驱动装置结构的说明图；
图3是表示按照本发明的控制流程的说明图；
图4包括(a)和(b)，分别是表示在图3中仿真模型结构的电路图，和表示在同一模型中每个阀特征的表；
图5是表示常规控制流程的说明图；
图6是表示用常规控制的操作方案的一个例子的曲线图；
图7是表示用常规控制电动马达速度响应波形的曲线图；
图8是表示按照本发明的控制电动马达速度响应特征的曲线图；
图9是表示控制杆操作方案另一个例子的曲线图；
图10是表示按照本发明电动马达对图9的操作方案的速度响应特征的曲线图；和
图11是表示按照本发明另一个控制流程的说明图。
【具体实施方式】
下面将根据附图中表示的各优选实施例详细描述本发明。
图1表示作为建筑机械的液压挖掘机，该挖掘机应用本发明的致动器驱动装置。
在这个图中，液压挖掘机包括安装在下行进体1上的上转动体2，和上转动体2适合围绕转轴R.A可以转动。
在上转动体2的前部装设前附件3。前附件3包括动臂3a、用于升降动臂3a的动臂油缸3b、臂3c、用于转动臂3c的臂油缸3d、挖斗3e和用于转动挖斗3e的挖斗油缸3f。
驾驶室4设置在前附件3基座终端的左侧。引擎、液压设备、油箱和类似装置(未表示)都设置在驾驶室4的后面，并用设备罩5盖住。
用6表示用于转动上转动体2的电动马达，它由AC(交流)伺服马达构成。电动马达6也可以由DC(直流)伺服马达构成。使用电动马达6作为转动机械(转动系统)的驱动源使上转动体2转动。
图2表示液压挖掘机中转动驱动装置的结构。
将减速齿轮7连接到电动马达6的输出轴，和将惯性负荷(具体地讲，转动装置、卷扬机、行进体或类似装置作为转动系统)8连接到减速齿轮7的转动轴。
控制器9适合送出转动信号给变换器10a。变换器10a控制电动马达6的转动，和译码器11检测电动马达6的转动并把检测到的转动作为信号反馈给控制器9。
12表示控制杆(操作部件)，操作员操作它来控制电动马达6的转速。
由引擎13驱动的发电机13a、蓄电池14、电容15和类似装置是组合使用，作为驱动电动马达6的能量供给源。16a表示的转换器用于将交流电转换成直流电，和16b和16c是DC-DC转换器用于增加或下降电压。
在这个实施例中，该结构适合将发电机13安装在液压挖掘机上并将电储存在蓄电池14中。但是，该结构也可以适合从外部能源接受电力的供应。
3b表示的是动臂油缸，表示它作为前附件3的一个致动器。
17表示液压泵用于供给加压油给动臂油缸3b，和18是另一个电动马达用于驱动液压泵17。19表示液压回路用于调节动臂油缸3b的速度和压力，和10b是变换器。
动臂油缸3b由从液压回路19供给的加压油驱动。所以，另一个电动马达18不适合驱动该转动系统。
参考图3将描述控制器9中的控制流程。
控制器9在液压驱动系统使用储存在其中的液压驱动系统仿真模型9a给定操作变量的情形下，在接受控制杆12的操作变量S之后，计算出致动器转速ωa。
应用下列方程从计算出的转速ωa确定电动马达的速度目标值ωref。
ωref＝ωa×N1/N2 (1)
式中N1是电动马达系统的减速比，和N2是液压系统的减速比。
通过采用这个ωref作为电动马达6的速度目标值，在由PID(比例、积分、微分)调节器9b执行PID控制之后与由译码器11确定的转速ω进行比较，从而实行速度反馈控制。
在图4(a)中表示液压驱动系统仿真模型的内容。
在图4(a)中，该仿真模型主要包括液压泵20、液压马达21、连接在液压马达21输出轴的减速齿轮22、连接在减速齿轮转轴的转动惯量23、用于将从液压泵20排出的加压油供应给液压马达21同时控制它的流速和方向的控制阀24、主安全阀25、口安全阀26a、26b、单向阀27a和27b、和旁通阀28。这个图表示使液压马达21正常转动的原理图。
控制阀24包括排出阀(B/O)29、流入计量阀(M/I)30和流出计量(M/O)31。32表示油箱。
在仿真模型中，如在图4(b)所示，当杆的操作变量S变大时，对排出的开度(在同一图中由B/O表示的曲线)进行节流。与此相反流入计量的开度(同一图中由M/I表示的曲线)和流出计量的开度(同一图中由M/O表示的曲线)增加。因此，增加了供给液压马达21的加压油流速。
下面列出这个仿真模型运转的方程式。
JL(2п/qN2)ωm＝Pmi-pmo ...(2)
Pmi＝K/Vmi(Qmi-Qa-Qr1+Qc1) ...(3)
Pmo＝K/Vmo(Qa-Qmo-Qr2+Qc2) ...(4)
Pp＝K/Vp(Qp-Qbo-Qmi-Qrp) ...(5)
Abo＝fbo(S)，Ami＝fmi(S)，Abo＝fbo(S) ...(6)
Qbo＝CvAbo√(2Pp/γ) ...(7)
Qmi＝CvAmi√(2(Pp-Pmi)/γ) ...(8)
Qmo＝CvAmo√(2Pmo/γ) ...(9)
Qa＝qNωa/2п ...(10)
式中，JL：负荷的转动惯量，P：压力，Q：流速，K：油体积弹性，V：管道内容量，A：面积，L：长度，Cv：流量系数，r：油比重，λ：管道摩擦系数，D：管直径，S：杆操作变量，N：减速比，q：液压马达容量，C：单向阀，r：口安全阀；rp：主安全阀，Pi：管道部分，1：上游侧；和2：下游侧。
在上述方程中，作为液压源的液压泵20的特性，将液压泵流速Qp输入给方程(5)。
作为致动器的特征，将液压马达容量q输入给方程(2)。
作为控制阀24的特征，将分别构成控制阀24的各排出阀29、流入计量阀30、和流出计量阀的开度面积Abo、Ami、Amo与杆操作变量S的关系输入给方程(6)。
在这个实施例的仿真模型中，将数值积分法。例如，Newmark-β法应用到这些运转方程式的系统，因而可执行时间的历史响应操作。
下面将参考图5-10描述仿真模型的操作。
图5表示常规的一般控制方法，作为比较的例子，通过使用图9c确定对杆操作变量的速度目标值来实行速度反馈控制。
在这种情况下，如图6的操作例子所示，在中间区是以步进的形式操作杆，相对在图7中所示的杆的操作，速度目标值ωref变化很陡。
因此，电动马达6的转速ω变化也很陡，使响应性变得太灵敏。所以产生晃动、在制动中反弹、或冲击，使可操作性变差。
与此相反，在这个实施例的控制方法中，执行控制是使用仿真模型来仿真液压驱动装置的动态特征。
因此，当在中间区以步进方式操作杆时，速度目标值ωref所画出的波形如仿真的那样为液压驱动装置对杆操作所特有滞后特征，如图8中所示。
结果，电动马达6对杆操作的速度变化是适中的(参考图中的ω)，可以改善可操作性而没有晃动、在停机中的反弹、或冲击。
在另一方面，在迅速加速或迅速减速的情况下，在常规模型使用一级滞后的跟踪控制中会出现响应滞后，如在图10中所示，类似于杆操作在中间区(参考L1)。
与此相反，在这个实施例的控制方法中，因为在仿真模型中包括用于保持回路压力恒定的安全阀26a、26b(参考图4(a))，类似于液压驱动装置(参考L2)的情况在最大力矩下实行加速和减速。
按照这个实施例的控制方法，所以，电动马达6对在中间区杆的操作响应缓和，而同时电动马达6可以对杆的快速操作作出快速响应。
在上述的仿真模型中，将目标转速ωref与译码器11输出的转速ω相比较。但是，并不局限于这种，使用在图11中所示的液压驱动系统模型9a’可以相互比较力矩。
即，对给定的杆操作变量液压致动器的驱动力矩如下式所示：
τref＝τa×N1/N2
通过实行反馈控制使用PID控制的控制规则，用τref作为电动马达6的力矩目标值可以获得与上面实施例相同的效果。具体地讲，将由力矩目标值τref转换成电流值而得到的电流目标值iref与从变换器10a确定的电流i进行比较。
可以将作为输入单元的开关或接触板连接到控制器9，从而通过开关的操作、接触板的操作、或改变软件可以适当地改变在仿真模型中，例如控制阀24的特性。
这样可改变的结构使操作者可以根据操作者的意大气层很容易改变可操作性的特征。
工业的适用性
本发明对由电动马达驱动转动系统的建筑机械是有用的，并且特别适合这种建筑机械，其致动器对杆操作的响应性要求等于液压驱动系统的响应性。