电动执行机构的控制装置技术领域
本发明涉及电动执行机构的控制装置。
背景技术
近年来,开发了利用电动马达等电动执行机构驱动旋转体而利用液压执
行机构驱动其他作业装置和行驶体的混合动力式电动旋转挖掘机。
在如上所述的电动旋转挖掘机中,由于旋转体的旋转动作是利用电动执
行机构进行的,因此存在如下优点:即便使旋转体与被液压驱动的大臂、小
臂的上下动作同时旋转,旋转体的动作也不易受到大臂、小臂的上下动作影
响,与液压驱动旋转体的现有挖掘机相比,能够减少控制阀等中的损失,能
量效率良好。
但是,操作者习惯于对旋转体进行液压驱动的现有挖掘机的操作,在操
作如上所述的电动旋转挖掘机时,由于该电动旋转挖掘机表现出与现有挖掘
机的旋转动作不同的动作,因此,会在操作性方面存在不适感。因此,期待
一种不论旋转体的驱动系统是电力驱动系统还是液压驱动系统都能够实现
同样的操作性的挖掘机。
于是,提出了一种电动旋转挖掘机,其构成为,生成与操作操作杆时的
操作杆的操作量相应的转矩电流指令,并且生成与操作杆的操作量和旋转体
的转速相应的修正用转矩电流指令,基于该修正用转矩电流指令生成驱动指
令,使操作性进一步接近液压驱动的挖掘机(例如参照专利文献1)。
另外,提出了另一种技术:通过使电动旋转挖掘机的旋转操作杆被操作
所生成的控制指令具有冗余度,能够适当地进行旋转体的动作控制(例如参
照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:(日本)特开2009-133161号公报
专利文献2:(日本)特开2008-248545号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是,很难说上述专利文献所记载的技术使电动旋转挖掘机的操作感接
近现有的通过液压驱动进行旋转的挖掘机的操作感。
即,在现有的通过液压驱动进行旋转的挖掘机中,例如在右旋转的情况
下,左PPC(Pressure Proportional Control:压力比例控制)压力(先导压力)
与操作杆的倾倒所产生的右PPC压力在旋转滑阀的左右处于互相推挤的关
系。即,对于利用右旋转时产生的右PPC压力使旋转滑阀移动的力,从其
相反方向作用左PPC压力(背压),右PPC压力和左PPC压力之间的差值
作为输出PPC压力传递到操作阀。
相对于此,在电动旋转挖掘机中,由于利用与液压执行机构相互独立的
电动执行机构来进行旋转,因此,如果不使用旋转滑阀而只是利用压力传感
器仅读取右PPC压力并生成控制指令,则会产生与现有的通过液压驱动进
行旋转的挖掘机的操作感完全不同的操作感。
并且,在低温环境下,通过液压驱动而旋转的挖掘机随着油的粘度上升,
旋转动作与通常情况相比变得迟钝,如果利用压力传感器仅读取右PPC压
力并生成控制指令,则旋转动作变得比预想快,因此,存在操作者在操作性
方面感到较大不适感的问题。
如上所述的问题不是仅限于电动旋转挖掘机的问题,例如在利用电动执
行机构进行大臂或小臂的驱动而通过液压驱动使其他部分动作的混合动力
式作业机械中也存在同样的问题。
本发明的目的在于提供一种电动执行机构的控制装置,在利用电动执行
机构进行一部分动作的混合动力式作业机械中,能够实现与现有的液压驱动
的作业机械的操作感相同的操作感。
用于解决问题的技术方案
第一发明的电动执行机构的控制装置,其控制能够进行正反转动作的电
动执行机构,所述电动执行机构的控制装置的特征在于,具有:
操作机构,其随着所述电动执行机构的正反转动作能够向正向或反向进
行操作;
先导回路,其与所述操作机构连接,随着该操作机构的正向操作或反向
操作生成正向先导压力或反向先导压力;
差压获取机构,其获取与所述操作机构的操作方向相应的先导压力和与
操作方向相反方向的先导压力之间的差压;
控制指令生成机构,其基于由所述差压获取机构生成的差压,生成向所
述电动执行机构传输的控制指令;
驱动控制机构,其基于由所述控制指令生成机构生成的控制指令,进行
所述电动执行机构的驱动控制。
第二发明的电动执行机构的控制装置在第一发明的基础上,优选使所述
差压获取机构具有:
正向压力检测部,其检测所述先导回路的正向先导压力;
反向压力检测部,其检测所述先导回路的反向先导压力;
差压计算部,其计算由所述正向压力检测部检测到的正向先导压力与由
所述反向压力部检测到的反向先导压力之间的差压。
发明效果
根据第一发明的电动执行机构的控制装置,由于具有差压获取机构和控
制指令生成机构,因此根据正向的先导压力与反向的先导压力之间的差值生
成控制指令,以进行电动执行机构的驱动控制。因此,也考虑到在与操作机
构的操作方向相反的方向上产生的背压的影响的同时,能够驱动电动执行机
构,能够实现与现有的液压驱动相同的操作感。
根据第二发明的电动执行机构的控制装置,由于差压获取机构具有正向
压力检测部和反向压力检测部,因此可以检测与操作机构的操作方向相应的
正向先导压力和反向先导压力,通过差压计算部容易计算出差压。因而,该
控制装置能够容易地组装到对电动执行机构进行控制的变换器等控制装置
上。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的混合动力式建筑机械的侧视图。
图2是表示所述实施方式的混合动力式建筑机械的整体结构的示意图。
图3是用于说明所述实施方式的旋转驱动的示意图。
图4是表示所述实施方式的旋转控制装置的控制结构的框图。
图5是表示所述实施方式的旋转控制装置的作用的流程图。
图6A是表示所述实施方式的差压与杆操作量之间的关系的曲线图。
图6B是表示所述实施方式的差压与杆操作量之间的关系的曲线图。
图7是用于说明现有的利用液压进行旋转驱动的示意图。
具体实施方式
以下,参照附图说明本发明的实施方式。
[1]整体结构
如图1所示,在本发明实施方式的混合动力式电动旋转挖掘机1中,在
构成下部行驶体2的履带架上隔着回转支承3设置有旋转体4,该旋转体4
被与回转支承3啮合的后述的电动马达驱动而旋转。在旋转体4上设置有由
大臂液压缸5驱动的大臂6,在大臂6的前端设置有由小臂液压缸7驱动的
小臂8,在小臂8的前端设置有由铲斗液压缸9驱动的铲斗10。
需要说明的是,在本实施方式中,旋转体4由电动马达来驱动,但本发
明并不限于此。即,也可以是利用电动马达驱动电动旋转挖掘机1的大臂6、
小臂8、铲斗10及下部行驶体2中的任一部件的混合动力式或电驱动式电
动旋转挖掘机。另外,只要是在驱动系统中的至少任一驱动系统中使用电动
马达的挖掘机即可,而并不一定是利用电动马达旋转驱动旋转体4的挖掘
机。
图2表示电动旋转挖掘机1的驱动系统的整体结构。
电动旋转挖掘机1具有作为驱动源的发动机11、液压泵12、发电马达
13。
发动机11驱动液压泵12及发电马达13。
液压驱动系统包括液压控制阀14、上述的大臂液压缸5、小臂液压缸7、
铲斗液压缸9及行驶马达15,液压泵12作为液压源驱动这些部件。
电力驱动系统包括变换器16、电容器17、旋转控制装置18及旋转电动
马达19,发电马达13、变换器16、电容器17是旋转电动马达19的电力源。
上述驱动系统能够通过操作者操作操作杆20而被驱动。
在液压驱动系统设置有图2中省略图示的泵控制器,泵控制器基于操作
杆20的操作生成控制指令,进行液压泵12的泵斜盘角的角度控制。
在电力驱动系统设置有上述的旋转控制装置18及目标速度设定装置
21。
目标速度设定装置21基于燃料拨盘22的设定状态、模式切换开关23
的设定状态及操作杆20(通常兼作用于操作小臂8的作业装置操作杆)的
倾斜角度,设定旋转体4的目标速度并输出到旋转控制装置18。另外,燃
料拨盘22是用于控制向发动机11供给(喷射)的燃料量的拨盘,模式切换
开关23是用于切换各种作业模式的开关,由操作者根据电动旋转挖掘机1
的运转状况进行操作。
另外,在上述旋转电动马达19上设置有转速传感器24。转速传感器24
检测旋转电动马达19的转速,该转速被反馈到旋转控制装置18。
旋转控制装置18基于由目标速度设定装置21设定的旋转体4的目标速
度和由转速传感器24检测到的旋转电动马达19的转速,通过使用了作为控
制增益的速度增益K的P控制(比例控制)进行速度控制,并生成向旋转
电动马达19传输的控制指令。在本实施方式中,旋转控制装置18是变换器,
将控制指令转换为电流值和电压值并向旋转电动马达19传输,从而控制旋
转电动马达19的转矩输出。
另外,旋转控制装置18只要是能够发出通过例如开关等驱动旋转电动
马达19的指令的装置,也可以是变换器之外的装置。
[2]操作杆20的详细结构
如图3所示,在本实施方式中的操作杆20(本发明的操作机构)上连
接有先导回路25,在电力驱动系统中,操作杆20的操作经由该先导回路25
传递到旋转控制装置18。
先导回路25将液压泵12作为液压源,该先导回路25具有:左先导阀
26、右先导阀27、管路28、节流阀29A、单向阀29B、油箱30、左压力传
感器31及右压力传感器32。由左压力传感器31及右压力传感器32检测到
的电压信号被输入到旋转控制装置18。另外,上述液压泵12设置有先导泵,
根据左先导阀26和右先导阀27的操作状态,使先导压力作用于管路28的
左侧部分或右侧部分。需要说明的是,在本实施方式中,先导回路25将液
压泵12作为先导泵并作为液压源,但也可以与液压泵12分开设置先导泵并
将该先导泵作为液压源。
另外,分别在管路28的左侧部分和右侧部分设置节流阀29A和单向阀
29B,但为了使左右的液压配管阻力均等,在管路28的左侧部分及右侧部分
的配管中,所述节流阀29A,单向阀29B设置在以先导阀26,27为起点因
配管的管径、长度、弯曲等而产生的配管损失同等的位置。
并且,在图3中将连接先导阀26,27的上侧管路直接导入油箱30,但
如图4所示,也可以在油箱30的前段设置节流阀。
左先导阀26及右先导阀27与操作杆20的下部连接。例如,当将操作
杆20向左侧操作时,左先导阀26克服设置于下部的弹簧的施力的同时被操
作杆20按压,使管路被切换,自先导泵排出的压力油被供给到管路28的左
侧部分。被供给的压力油经过管路28左侧部分的节流阀29A和右侧部分的
单向阀29B自油箱30排出。在管路28的左侧部分生成因压力油供给而产生
的先导压力,并且,油经过节流阀29A和单向阀29B也流到管路28的右侧
部分,因此,在管路28的右侧部分生成背压。
另一方面,当将操作杆20向右侧操作时,右先导阀27以与上述同样的
方式被按压,使管路被切换,压力油被供给到管路28的右侧部分。被供给
的压力油经过管路28右侧部分的节流阀29A和左侧部分的单向阀29B自油
箱30排出。在管路28的右侧部分生成先导压力,并且在管路28的左侧部
分生成背压。
即,管路28形成自左先导阀26至右先导阀27的闭合回路,根据先导
阀26,27的切换状态,管路28的左侧部分和右侧部分的压力状态发生变化。
左压力传感器31检测管路28左侧部分的压力并作为电压信号输出到旋
转控制装置18,右压力传感器32检测管路28右侧部分的压力值并作为电
压信号输出到旋转控制装置18。
作为上述压力传感器31,32,可以采用具有隔膜的压力传感器,作为
将隔膜的变形转换为电信号的方法,例如可以采用应变计式、静电电容式、
运用了电位计等的公知的压力传感器。
在如上所述的先导回路25中,当操作者将操作杆20向左旋转方向进行
操作时,左先导阀26与操作杆20的倾倒量相应地被按压,压力油与按压量
相应地自先导泵供给到管路28内,经过管路28的右侧部分自右先导阀27
向油箱30排出一部分压力油。此时,左压力传感器31和右压力传感器32
将检测到的压力值转换为电压信号并输出到旋转控制装置18。
[3]旋转控制装置18的结构
图4表示本发明的电动执行机构的控制装置即旋转控制装置18的详细
框图。该旋转控制装置18利用CAN(ControllerArea Network:控制器局域
网络)线路34与控制液压驱动系统的泵控制器33通信连接。
在传递操作杆20的操作的先导回路25内,除了上述压力传感器31,
32以外,另行设置有左压力传感器35和右压力传感器36,上述压力传感器
35,36检测到的压力值作为电压信号输出到泵控制器33。这是因为,为了
进行先导回路25内的液压控制,泵控制器33需要进行先导泵的驱动控制。
然后,输出到泵控制器33的压力值经由CAN线路34也输出到旋转控
制装置18。
旋转控制装置18具有:差压计算部181、控制指令生成机构182、驱动
控制机构183及存储器184。
差压计算部181是将来自左压力传感器31和右压力传感器32的电压信
号转换为压力值并计算管路28中的左侧部分和右侧部分的差压的部分。需
要说明的是,在本实施方式中,为了使电力驱动系统中的信号和数据的处理
与液压驱动系统中的信号和数据的处理同等而进行电压-压力值转换,但也
可以仅利用电压信号计算差值。
另外,在左压力传感器31和右压力传感器32中的任一传感器发生故障
的情况下,差压计算部181基于自泵控制器33经由上述CAN线路34输入
的电压信号计算差压。
在该差压计算部181计算出的差压被输出到控制指令生成机构182。
控制指令生成机构182是基于计算出的差压生成输出到旋转电动马达
19的控制指令的部分。详细情况将在后面叙述,该控制指令生成机构182
在生成控制指令时,利用存储在存储器184内的映射图,将差压转换为操作
杆20的操作量,并将转换而得到的操作量转换为旋转速度控制指令。
由该控制指令生成机构182生成的控制指令被输出到驱动控制机构
183。
驱动控制机构183是基于生成的控制指令转换为电流值、电压值并输出
到旋转电动马达19以控制旋转电动马达19的转矩输出的部分。
[4]旋转控制装置18的作用
下面,基于图5所示的流程图说明上述旋转控制装置18的作用。
差压计算部181将来自左压力传感器31的电压信号和来自右压力传感
器32的电压信号转换为压力值(处理S1)。
然后,差压计算部181基于转换而得到的压力值计算管路28的左侧部
分与右侧部分之间的差压,并输出到控制指令生成机构182(处理S2)。
在此,在判定操作杆20的操作是右旋转还是左旋转时,例如右压力传
感器32的电压信号减去左压力传感器31的电压信号,若该计算值为正,则
判定为右旋转,若该计算值为负,则判定为左旋转。
另外,在处理S2中进行差压计算之前,进行左压力传感器31和右压力
传感器32是否表示出正常范围这样的故障判定,并且,进行右压力传感器
32和右压力传感器36的电压信号或者左压力传感器31和左压力传感器35
的电压信号是否未表示出较大的差(正常阈值以上的值)这样的故障判定。
需要说明的是,差值指的是对左右的压力值进行减法运算而求出的绝对
值的值。另外,也可以不对左右的各压力值之间进行减法运算,而对各压力
传感器31,32输出的电压信号之间进行减法运算,并将其结果换算为压力
值。
控制指令生成机构182将算出的差压转换为操作杆20的操作量(处理
S3)。
具体而言具有如下特性:如图6A所示,若向左右增大操作杆20的操
作量(倾倒量),则自压力传感器31,32输出的电压信号呈线性增大。
于是,差压计算部181基于求出的差压将图6B所示的对差压和杆操作
量进行对比的映射图存储在存储器184内,通过参照该映射图,将差压转换
为操作杆20的操作量。
然后,控制指令生成机构182将转换而得到的杆操作量转换为旋转速度
控制指令并输出到驱动控制机构183(处理S4)。
在驱动控制机构183中,利用例如LPF进行滤波处理后(处理S5)转
换为电流值及电压值以控制旋转电动马达19的转矩输出(处理S6)。需要
说明的是,在滤波处理中也可以使用LPF以外的装置,甚至可以省略滤波
处理。
[5]由现有的液压驱动的旋转装置进行的旋转
在此,参照图7说明现有的液压驱动的旋转装置的旋转液压回路。
发动机101是液压泵102和先导泵103的驱动源。
液压泵102经由排出管路104与流量控制阀105连接。该流量控制阀
105经由旋转驱动管路106A,106B与旋转液压马达107连接。
操作杆108与先导阀109,110连接。该先导阀109,110经由管路111A
与先导泵103连接。需要说明的是,在该现有的液压驱动的旋转装置中,虽
然分开设置液压泵102和先导泵,但也可以将液压泵102自身作为液压源。
先导阀109经由先导管路112A与流量控制阀105的操作部105B连接,
先导阀110经由先导管路113A与流量控制阀105的操作部105B连接。
所述液压泵102具有控制斜盘角的伺服机构。
该伺服机构由伺服活塞114和控制阀115构成。该控制阀115的一端与
自液压泵102的排出管路104分支的管路116A连接,另一端与流量控制阀
105的下游侧管路117A,117B连接。
液压泵102的斜盘角通过液压泵102的排出压P1与负载压LP1之间的
差压被控制,该排出压P1从自液压泵102的排出管路104分支的管路116A
被导出,该负载压LP1经由与下游侧管路117A,117B汇合的管路118被导
入。
具体而言,当P1>LP1时,控制阀115被切换到b位置。因此,来自先
导泵103的先导压力流入伺服活塞114的b室,a室的先导压力向油箱排出,
因此,伺服活塞114向右侧移动,液压泵102的斜盘角减小。
与此相反,当P1<LP1时,控制阀115被切换到a位置。因此,来自先
导泵103的先导压力流入伺服活塞114的a室,b室的先导压力向油箱排出,
因此,伺服活塞114向左侧移动,液压泵102的斜盘角增加。
在自所述旋转驱动管路106A分支的管路119A上设置有吸入阀120A。
并且,在自旋转驱动管路106B分支的管路119B上设置有吸入阀120B。上
述吸入阀120A,120B与油箱121连接。该吸入阀120A,120B在旋转液压
马达107停止时自油箱121吸入油以防止旋转驱动管路106A,106B中的一
侧旋转驱动管路成为真空。
并且,在自旋转驱动管路106A分支的管路122A上设置有安全阀123B。
另外,在自旋转驱动管路106B分支的管路122B上设置有安全阀123B。
上述安全阀123A,123B与油箱121连接。
上述安全阀123A,123B释放在旋转液压马达107起动、加速等时产生
在旋转驱动管路106A,106B内的高压并向油箱121排出,以防止旋转液压
马达107损伤。
如上所述的旋转液压马达107的旋转驱动以下述方式进行。
当使操作杆108向左旋转侧倾倒时,先导阀110克服弹簧力的同时被按
压,先导阀110的输入口与管路111A连通,先导液压被导入先导管路113A。
被导入先导管路113A的先导液压作用于操作部105B,使流量控制阀105切
换到b位置。
由此,自液压泵102排出的压力油经过旋转驱动管路106B流入旋转液
压马达107,旋转液压马达107进行左旋转。
在流量控制阀105切换到b位置时,先导管路112A中的油经过先导阀
109排出到油箱,在先导管路112A内随着油的流动而产生背压。因此,实
际作用于流量控制阀105的压力不是先导管路113A中的先导压力,而是先
导管路113A内的先导压力减去先导管路112A内的背压而得到的压力。
[6]实施方式的效果
在图7的现有的液压驱动的旋转装置中,如上所述,即便通过使操作杆
108倾倒而使先导压力作用于流量控制阀105,因为相反侧的背压作用于流
量控制阀105,所以只有先导压力与背压之间的差值的压力作用于流量控制
阀105。
在本实施方式中,如图3及图4所示,基于先导回路25中的左侧部分
的先导压力与右侧部分的先导压力之间的差值,生成向旋转电动马达19传
输的控制指令,因此,能够通过与现有的液压驱动型旋转装置相同的先导压
力的平衡使旋转电动马达19驱动,即便是用惯了现有的液压驱动型旋转装
置的操作者,在操作时也不会感到不适。
并且,在低温环境下,先导回路内的油的粘度增加,对于现有的液压驱
动的旋转装置而言,即便使操作杆108较大地倾倒,流量控制阀105的移动
量也变少,因而不能提高旋转液压马达107的转速。即,在低温环境下,旋
转动作变得缓慢。
通过使用本实施方式的旋转控制装置18,即便在低温环境下也可以实
现与现有的液压驱动的旋转装置相同的操作性。
工业实用性
本发明能够适用于将驱动系统的一部分设置为电力驱动的混合动力式
作业机械和建筑机械。
附图标记说明
1电动旋转挖掘机、2下部行驶体、3回转支承、4旋转体、5大
臂液压缸、6大臂、7小臂液压缸、8小臂、9铲斗液压缸、10铲斗、
11发动机、12液压泵、13发电马达、14液压控制阀、15行驶马达、
16变换器、17电容器、18旋转控制装置、19电动马达、20操作杆、
21目标速度设定装置、22燃料拨盘、23模式切换开关、24转速传感
器、25先导回路、26左先导阀、27右先导阀、28管路、29A节流
阀、29B 单向阀、30油箱、31左压力传感器、32右压力传感器、33泵
控制器、34CAN线路、35左压力传感器、36右压力传感器、101发
动机、102液压泵、103先导泵、104排出管路、105流量控制阀、105B
操作部、106A旋转驱动管路、106B旋转驱动管路、107旋转液压马达、
108操作杆、109先导阀、110先导阀、111A管路、112A先导管路、
113A先导管路、114伺服活塞、115控制阀、116A管路、117A下
游侧管路、117B下游侧管路、118管路、119A管路、119B管路、120A
吸入阀、120B 吸入阀、121油箱、122A管路、122B 管路、123A安
全阀、123B 安全阀、181差压计算部、182控制指令生成机构、183驱
动控制机构。