KR101120452B1

KR101120452B1 - 하이브리드 건설 기계의 제어 방법 및 하이브리드 건설 기계

Info

Publication number: KR101120452B1
Application number: KR1020097020122A
Authority: KR
Inventors: 준 모리나가; 다다시 가와구치; 히로아키 이노우에
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2012-03-02
Also published as: KR20090125790A; JP4892057B2; CN101636543B; JPWO2008123368A1; US8439139B2; DE112008000818T5; CN101636543A; WO2008123368A1; DE112008000818B4; US20100071973A1

Abstract

커패시터를 대용량화하지 않고 시스템이 작동 불가능하게 되는 것을 회피할 수 있음과 함께, 선회 조작시의 조작 지령에 대한 선회 동작의 지연을 억제할 수 있는 하이브리드 건설 기계의 제어 방법 및 하이브리드 건설 기계를 제공한다. 이 목적을 위해, 커패시터 방전시에는 발전기 모터의 커패시터 전압에 따른 어시스트 토크 제한값이나 선회 모터의 커패시터 전압에 따른 선회 역행 토크 제한값을 각각 참조하여 각각 실토크 지령값을 생성하는 한편, 커패시터 충전시에는 발전기 모터의 실목표 출력값을 생성한다.

Description

하이브리드 건설 기계의 제어 방법 및 하이브리드 건설 기계{HYBRID CONSTRUCTION MACHINE CONTROLLING METHOD, AND HYBRID CONSTRUCTION MACHINE}

본 발명은, 서로 연결된 엔진 및 발전기 모터를 구동원으로서 구비함과 함께, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터를 구비한 하이브리드 건설 기계의 제어 방법 및 하이브리드 건설 기계에 관한 것이다.

종래부터, 서로 연결된 엔진 및 발전기 모터를 구동원으로 하는 하이브리드 차량에서는, 발전기 모터와의 사이에서 전력의 수수 (授受) 를 실시하는 축전 장치로서 커패시터 (capacitor) 를 적용하는 경우가 있다. 커패시터의 전압은 운용을 계속함으로써 서서히 저하된다. 이 때문에, 커패시터의 전압이 커패시터의 동작 가능 전압보다 저하되면, 시스템이 작동 불가능하게 된다.

상기 서술한 문제를 해결하여 시스템이 작동 불가능하게 되는 것을 회피하기 위한 하나의 방법으로서, 커패시터의 대용량화를 도모하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 커패시터를 대용량화하면, 커패시터가 대형화되어 중량이나 탑재 스페이스, 비용 등의 면에서 문제가 발생하는 경우가 있었다.

그래서, 커패시터의 대용량화를 도모하지 않고, 시스템이 작동 불가능하게 되는 것을 회피할 수 있는 기술로서, 엔진 정지 중에 커패시터의 축전량이 소정의 임계값을 밑돈 경우, 커패시터의 전력을 저전위의 전력으로 변환하는 전압 변환기의 출력을 제한하는 기술이 개시되어 있다 (예를 들어, 특허 문헌 1 을 참조).

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2005-45883호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

그러나, 상기 특허 문헌 1 에 기재된 기술을 하이브리드 차량의 일례인 하이브리드 건설 기계에 적용한 경우에는, 선회 조작시에 작업자가 입력하는 조작 지령에 대해 선회 동작에 지연이 발생한다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 커패시터를 대용량화하지 않고 시스템이 작동 불가능하게 되는 것을 회피할 수 있음과 함께, 선회 조작시의 조작 지령에 대한 선회 동작의 지연을 억제할 수 있는 하이브리드 건설 기계의 제어 방법 및 하이브리드 건설 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

상기 서술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 제어 방법은, 서로 연결된 엔진 및 발전기 모터와, 상기 발전기 모터로부터 전력이 공급되고, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터와, 상기 발전기 모터 및 상기 선회 모터가 각각 발전한 전력을 축전하는 한편, 상기 발전기 모터 및 상기 선회 모터에 전력을 공급하는 커패시터와, 상기 커패시터의 전압을 승압시켜 출력하는 승압기를 구비한 하이브리드 건설 기계의 제어 방법으로서, 상기 승압기가 상기 커패시터의 방전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터의 커패시터 전압에 따른 상기 발전기 모터의 어시스트 토크 제한값을 산출하는 어시스트 토크 제한값 산출 단계와, 상기 발전기 모터의 목표 속도에 따라 상기 발전기 모터의 토크 지령값을 계산하는 발전기 모터 토크 지령값 계산 단계와, 상기 어시스트 토크 제한값 산출 단계에서 산출한 어시스트 토크 제한값과 상기 발전기 모터 토크 지령값 계산 단계에서 계산한 토크 지령값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 발전기 모터의 실 (實) 토크 지령값으로서 생성하는 발전기 모터 실토크 지령값 생성 단계를 갖는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 어시스트 토크 제한값은, 상기 커패시터 전압이 제 1 임계값 이하에서 제로이고, 상기 커패시터 전압이 상기 제 1 임계값보다 커짐에 따라 서서히 증가하고, 상기 제 1 임계값보다 큰 제 2 임계값 이상에서 일정값을 취하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 발전기 모터 토크 지령값 계산 단계는, 상기 발전기 모터의 실속도를 피드백하는 비례 제어를 실시함으로써 상기 발전기 모터의 토크 지령값을 계산하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 승압기가 상기 커패시터의 방전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터 전압에 따른 상기 선회 모터의 선회 역행 (力行) 토크 제한값을 산출하는 선회 역행 토크 제한값 산출 단계와, 상기 선회 모터의 목표 속도에 따라 상기 선회 모터의 토크 지령값을 계산하는 선회 모터 토크 지령값 계산 단계와, 상기 선회 역행 토크 제한값 산출 단계에서 산출한 선회 역행 토크 제한값과 상기 선회 모터 토크 지령값 계산 단계에서 계산한 토크 지령값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 선회 모터의 실토크 지령값으로서 생성하는 선회 모터 실토크 지령값 생성 단계를 추가로 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 선회 역행 토크 제한값은, 상기 커패시터 전압이 상기 제 1 임계값보다 작은 제 3 임계값 이하에서 제로이고, 상기 커패시터 전압이 상기 제 3 임계값보다 커짐에 따라 서서히 증가하고, 상기 제 3 임계값보다 큰 제 4 임계값 이상에서 일정값을 취하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 선회 모터 토크 지령값 계산 단계는, 상기 선회 모터의 실속도를 피드백하는 비례 제어를 실시함으로써 상기 선회 모터의 토크 지령값을 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 승압기가 상기 커패시터의 충전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터 전압에 따른 상기 승압기의 출력 한계값을 산출하는 승압기 출력 한계값 산출 단계와, 상기 승압기 출력 한계값 산출 단계에서 산출한 출력 한계값과 상기 선회 모터의 출력을 이용하여 상기 발전기 모터의 출력 한계값을 구하는 발전기 모터 출력 한계값 산출 단계와, 상기 발전기 모터 출력 한계값 산출 단계에서 산출한 상기 발전기 모터의 출력 한계값과 상기 발전기 모터의 목표 출력값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 발전기 모터의 실목표 출력값으로서 생성하는 실목표 출력값 생성 단계와, 상기 실목표 출력값 생성 단계에서 생성한 실목표 출력값과 상기 발전기 모터의 회전수를 이용하여 상기 발전기 모터의 실토크 지령값을 생성하는 충전시 발전기 모터 실토크 지령값 생성 단계를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계는, 서로 연결된 엔진 및 발전기 모터와, 상기 발전기 모터로부터 전력이 공급되고, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터와, 상기 발전기 모터 및 상기 선회 모터가 각각 발전한 전력을 축전하는 한편, 상기 발전기 모터 및 상기 선회 모터에 전력을 공급하는 커패시터와, 상기 커패시터의 전압을 승압시켜 출력하는 승압기를 구비한 하이브리드 건설 기계로서, 상기 커패시터의 커패시터 전압을 연속해서 계측하는 커패시터 전압 계측 수단과, 상기 승압기가 상기 커패시터의 방전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터 전압 계측 수단으로 계측한 커패시터 전압에 따른 상기 발전기 모터의 어시스트 토크 제한값을 산출하는 한편, 상기 발전기 모터의 목표 속도에 따라 상기 발전기 모터의 토크 지령값을 계산하고, 상기 어시스트 토크 제한값과 상기 발전기 모터의 토크 지령값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 발전기 모터의 실토크 지령값으로서 생성, 출력하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계는, 상기 발명에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 승압기가 상기 커패시터의 방전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터 전압 계측 수단이 계측한 커패시터 전압에 따른 상기 선회 모터의 선회 역행 토크 제한값을 산출하는 한편, 상기 선회 모터의 목표 속도에 따라 상기 선회 모터의 토크 지령값을 계산하고, 상기 선회 역행 토크 제한값과 상기 선회 모터의 토크 지령값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 선회 모터의 실토크 지령으로서 생성, 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계는, 상기 발명에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 승압기가 상기 커패시터의 충전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터 전압 계측 수단이 계측한 커패시터 전압에 따른 상기 승압기의 출력 한계값을 산출하고, 이 산출한 출력 한계값과 상기 선회 모터의 출력을 이용하여 상기 발전기 모터의 출력 한계값을 구하고, 이 출력 한계값과 상기 발전기 모터의 목표 출력값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 발전기 모터의 실목표 출력값으로서 생성, 출력하는 것을 특징으로 한다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 커패시터 방전시에는 발전기 모터나 선회 모터의 커패시터 전압에 따른 토크 제한값을 각각 참조하여 실토크 지령값을 생성하는 한편, 커패시터 충전시에는 발전기 모터의 실목표 출력값을 생성함으로써, 커패시터를 대용량화하지 않고 시스템이 작동 불가능하게 되는 것을 회피할 수 있다. 또, 발전기 모터의 실토크 지령값 (커패시터 방전시) 이나 실목표 출력값 (커패시터 충전시) 은, 커패시터 전압에 따른 승압기의 출력 한계를 고려한 것인 한편, 선회 모터쪽에는 승압기의 영향이 적기 때문에, 선회 조작시의 작업자에 의한 조작 지령에 대한 선회 동작의 지연을 억제할 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 하이브리드 건설 기계의 주요부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 하이브리드 건설 기계의 외부 구성을 나타내는 도면이다.

도 3 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 하이브리드 건설 기계가 구비하는 승압기의 동작 특성을 나타내는 도면이다.

도 4 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 하이브리드 건설 기계의 제어 방법의 커패시터 방전시의 발전기 모터의 제어 개요를 나타내는 플로우 차트이다.

도 5 는, 도 4 에 나타내는 플로우 차트를 신호의 흐름에 기초하여 보다 상세하게 기재한 처리 흐름도이다.

도 6 은, 커패시터 전압과 발전기 모터의 어시스트 토크 제한값의 관계를 나타내는 도면이다.

도 7 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 하이브리드 건설 기계의 제어 방법의 커패시터 방전시의 선회 모터의 제어 개요를 나타내는 플로우 차트이다.

도 8 은, 도 7 에 나타내는 플로우 차트를 신호의 흐름에 기초하여 보다 상세하게 기재한 처리 흐름도이다.

도 9 는, 커패시터 전압과 선회 모터의 선회 역행 토크 제한값의 관계를 나타내는 도면이다.

도 10 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 하이브리드 건설 기계의 제어 방법의 커패시터 충전시의 발전기 모터의 제어 개요를 나타내는 플로우 차트이다.

도 11 은, 도 10 에 나타내는 플로우 차트를 신호의 흐름에 기초하여 보다 상세하게 기재한 처리 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 유압 셔블

2 : 엔진

3 : 발전기 모터

4 : 유압 펌프

5 : 인버터(inverter)

6 : 커패시터

7 : 전압 센서

8 : 승압기

9 : 선회 모터

10 : 선회 인버터

11 : 스윙 장치

12 : 제어기

12a : 메모리

13 : 조작 입력부

21 : 붐 (boom) 용 조작 밸브

22 : 아암용 조작 밸브

23 : 버킷 (bucket) 용 조작 밸브

24 : 좌측 주행용 조작 밸브

25 : 우측 주행용 조작 밸브

31 : 붐용 유압 실린더

32 : 아암용 유압 실린더

33 : 버킷용 유압 실린더

34 : 좌측 주행용 유압 모터

35 : 우측 주행용 유압 모터

101 : 주행체

102 : 선회체

103 : 붐

104 : 아암

105 : 버킷

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태 (이후, 「실시형태」 라고 한다) 를 설명한다. 도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 하이브리드 건설 기계의 주요부의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에 관련된 하이브리드 건설 기계는, 서로 연결된 엔진 및 발전기 모터를 구동원 으로서 구비하고, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 전동 선회 기능을 갖는다. 본 실시형태에서는, 하이브리드 건설 기계로서 굴삭 기능을 갖는 유압 셔블의 경우를 설명하지만, 이것은 어디까지나 일례에 불과하다.

도 2 는, 하이브리드 건설 기계인 유압 셔블의 외부 구성을 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 유압 셔블 (1) 은, 좌우 1 쌍의 크롤러 트랙 (crawler track) 을 갖는 주행체 (101) 와, 주행체 (101) 의 상방에 위치하고, 주행체 (101) 에 대해 소정의 방향을 지향하는 선회축의 둘레로 선회 가능한 선회체 (102) 를 구비한다. 또, 유압 셔블 (1) 은, 붐 (103), 아암 (104), 버킷 (105) 으로 이루어지는 굴삭용 작업기를 갖는다. 이 중, 붐 (103) 은, 주행체 (101) 에 대해 상하 방향으로 회전 운동 가능하게 접속된다.

다음으로, 도 1 을 참조하여 유압 셔블 (1) 의 내부 구성을 설명한다. 유압 셔블 (1) 은, 구동원인 엔진 (2) 과, 각각의 구동축이 엔진 (2) 의 출력축에 연결된 발전기 모터 (3) 및 유압 펌프 (4) 와, 발전기 모터 (3) 에 접속되고, 발전기 모터 (3) 를 구동하는 인버터 (5) 와, 발전기 모터 (3) 에서 발전한 전력을 축전하는 한편, 발전기 모터 (3) 에 전력을 공급하는 커패시터 (6) 와, 커패시터 (6) 의 전압을 연속해서 계측하는 전압 센서 (7) (커패시터 전압 계측 수단) 와, 인버터 (5) 및 커패시터 (6) 에 병렬 접속되고, 커패시터 (6) 의 전압을 승압시켜 인버터 (5) 에 출력하는 승압기 (8) 를 구비한다.

또, 유압 셔블 (1) 은, 선회체 (102) 를 선회시키는 구동원인 선회 모터 (9) 와, 커패시터 (6) 에 병렬 접속됨과 함께 인버터 (5) 에 병렬 접속되고, 선회 모터 (9) 를 구동하는 선회 인버터 (10) 와, 선회 모터 (9) 의 구동축에 연결되고, 선회체 (102) 를 선회시키는 스윙 장치 (11) 를 구비한다.

또한, 유압 셔블 (1) 은, 엔진 (2), 유압 펌프 (4), 인버터 (5), 선회 인버터 (10) 를 전자적으로 제어하는 제어기 (12) 와, 작업자가 원하는 조작을 입력하기 위해 조작 레버 등에 의해 구성되는 조작 입력부 (13) 를 구비한다.

발전기 모터 (3) 는, 예를 들어 SR (Switched Reluctance) 모터 또는 PM (Permanent Magnet) 모터에 의해 실현된다. 또, 선회 모터 (9) 는, 예를 들어 PM 모터에 의해 실현된다.

유압 펌프 (4) 는, 붐용 조작 밸브 (21), 아암용 조작 밸브 (22), 버킷용 조작 밸브 (23), 좌측 주행용 조작 밸브 (24), 우측 주행용 조작 밸브 (25) 의 각종 조작 밸브에 배관을 개재하여 각각 접속된다. 유압 펌프 (4) 는 가변 용량형이며, 사판의 경전각 (傾轉角) 이 변화됨으로써 용량이 변화된다.

유압 펌프 (4) 로부터 토출된 압유는, 붐용 조작 밸브 (21), 아암용 조작 밸브 (22), 버킷용 조작 밸브 (23), 좌측 주행용 조작 밸브 (24), 우측 주행용 조작 밸브 (25) 를 통해, 액추에이터인 붐용 유압 실린더 (31), 아암용 유압 실린더 (32), 버킷용 유압 실린더 (33), 좌측 주행용 유압 모터 (34), 우측 주행용 유압 모터 (35) 에 각각 공급된다. 이로써, 붐 (103), 아암 (104), 버킷 (105), 좌측 크롤러 트랙, 우측 크롤러 트랙이 작동한다.

도 3 은, 승압기 (8) 의 동작 특성을 나타내는 도면으로서, 구체적으로는 커패시터 전압 (Vcap) 에 따라 출력할 수 있는 승압기 (8) 의 출력 한계값 (BstInPowLimit) 을 나타내는 도면이다. 도 3 에 있어서, 정측 (正側) 의 곡선 (L1) 은, 커패시터 (6) 방전시 (역행시) 에 있어서의 출력 한계값을 부여하고, 부측 (負側) 의 곡선 (L2) 은, 커패시터 (6) 충전시 (회생시) 에 있어서의 출력 한계값을 부여하고 있다. 또, 도 3 에 있어서, 가로축의 범위 (Vcap1～Vcap2) 는, 커패시터 (6) 가 그 성능을 발휘할 수 있는 동작 전압 범위에 상당하고 있다. 도 3 에 나타내는 곡선 (L1, L2) 으로부터도 명확한 바와 같이, 커패시터 전압 (Vcap) 이 커질수록, 승압기 (8) 의 출력 한계값의 절대값도 커진다.

제어기 (12) 는, 제어 수단의 적어도 일부를 이루고, 각각 소정의 계측 수단에 의해 계측된 엔진 (2) 의 회전수, 유압 펌프 (4) 의 토출압, 커패시터 (6) 의 전압, 선회 인버터 (10) 에 입력하는 직류 전류 (출력시에는 역부호), 선회 모터 (9) 의 회전수, 작업자에 의한 조작 입력부 (13) 의 조작량 등의 입력을 받고, 이들 각종 계측값의 입력에 기초하여 유압 셔블 (1) 의 구동 제어를 실시한다. 또한, 각종 계측값은 거의 실시간으로 연속해서 계측되고 있다. 제어기 (12) 는, 유압 셔블 (1) 의 각종 동작을 제어하기 위한 프로그램이나 각종 연산 결과 등을 기억하는 메모리 (12a) 를 갖는다.

다음으로, 이상의 구성을 갖는 유압 셔블 (1) 의 제어 방법에 대해 설명한다. 먼저, 커패시터 (6) 가 방전되었을 때의 동작에 대해 설명한다. 커패시터 방전시에 있어서는, 발전기 모터 (3) 및 선회 모터 (9) 의 각각에 있어서, 커패시터 전압 (Vcap) 에 따른 제어가 실시된다.

도 4 는, 커패시터 방전시의 발전기 모터 (3) 의 제어 개요를 나타내는 플로 우 차트이다. 또, 도 5 는, 도 4 에 나타내는 플로우 차트를 신호의 흐름에 기초하여 보다 상세하게 기재한 처리 흐름도이다.

먼저, 제어기 (12) 는, 전압 센서 (7) 가 계측한 커패시터 (6) 의 커패시터 전압 (Vcap) 에 따른 어시스트 토크의 제한값을 산출한다 (단계 S1). 도 6 은, 단계 S1 에서 제어기 (12) 가 참조하는 커패시터 전압 (Vcap) 과 발전기 모터 (3) 의 어시스트 토크 제한값 (AstTrqLimit) 의 관계를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 곡선 (L3) 은, 제 1 임계값 (Vcap3) 이하에서는 제로이고, 커패시터 전압 (Vcap) 이 제 1 임계값 (Vcap3) 보다 커짐에 따라 서서히 증가하고, 제 2 임계값 (Vcap4) 이상에서 일정값 (AstTrqLimit1) 을 취한다.

여기서, 제 1 임계값 (Vcap3) 은, 커패시터 전압 (Vcap) 의 동작 전압 범위 (Vcap1～Vcap2) 에 포함되고, Vcap1 보다 크다. 또, 제 2 임계값 (Vcap4) 은, 제 1 임계값 (Vcap3) 보다 크고, 커패시터 전압 (Vcap) 의 동작 전압 범위 (Vcap1～Vcap2) 에 포함된다.

또한, 도 6 에서는, 커패시터 전압 (Vcap) 이 Vcap3＜Vcap＜Vcap4 인 경우, 어시스트 토크 제한값 (AstTrqLimit) 이 커패시터 전압 (Vcap) 의 증가에 수반하여 선형으로 증가하고 있지만, 이것은 어디까지나 일례에 불과하다. 즉, 어시스트 토크 제한값 (AstTrqLimit) 은, 커패시터 전압 (Vcap) 의 증가에 수반하여 단조롭게 증가하면 되고, 반드시 선형일 필요는 없다.

제어기 (12) 는, 상기 서술한 처리와 병행하여, 유압 펌프 (4) 의 효율을 높이고, 연비 (단위 시간, 단위 출력당 연료 소비량) 의 저감 즉 연비의 향상을 도모 하기 위해, 엔진 (2) 의 엔진 회전수가 소정의 설정 회전수보다 작은 저속 영역에서 엔진 (2) 의 출력과 유압 펌프 (4) 의 펌프 흡수 마력의 매칭 (저속 매칭) 을 실시함으로써, 발전기 모터 (3) 의 목표 속도 (목표 회전수) 를 출력한다 (단계 S2).

그 후, 제어기 (12) 는, 발전기 모터 (3) 의 토크 지령값을 계산한다 (단계 S3). 이 토크 지령값을 계산할 때, 제어기 (12) 는, 저속 매칭에 의해 출력한 목표 속도와 발전기 모터 (3) 에 있어서의 속도의 실측값의 차이를 산출하고 (단계 S31), 이 산출한 차이에 소정의 비례 상수를 곱함으로써 엔진 (2) 의 출력축에 가하는 어시스트 토크의 토크 지령값으로 변환한다 (단계 S32).

이어서, 제어기 (12) 는, 단계 S1 에서 출력한 어시스트 토크 제한값과 단계 S3 에서 출력한 토크 지령값을 메모리 (12a) 로부터 판독하여 비교하고, 값이 작은 쪽을 선택하여 실토크 지령값으로서 생성하고, 출력한다 (단계 S4).

제어기 (12) 로부터 실토크 지령값의 입력을 받은 인버터 (5) 는, 그 실토크 지령값에 따라 발전기 모터 (3) 에 구동 지령을 출력한다 (단계 S5). 발전기 모터 (3) 는, 인버터 (5) 에 의해 출력되는 구동 지령에 기초하여 구동하고, 토크를 발생시킨다 (단계 S6). 발전기 모터 (3) 의 실속도 (실회전수) 는, 소정의 회전수 센서에 의해 연속해서 계측되고, 상기 서술한 단계 S3 (S31) 으로 피드백된다.

이와 같이 하여, 본 실시형태에서는, 발전기 모터 (3) 의 어시스트 토크를 제어할 때, 발전기 모터 (3) 의 실속도를 피드백하는 비례 제어를 실시함으로써 생 성된 토크 지령값과, 도 6 의 곡선 (L3) 에 상당하고, 메모리 (12a) 에 저장되어 있는 변환 테이블 (메모리 (12a) 에 저장) 을 참조함으로써 얻어진 발전기 모터 (3) 의 어시스트 토크 제한값을 비교하고, 작은 쪽의 값을 실토크 지령값으로서 채용하고 있다. 이 결과, 커패시터 전압 (Vcap) 이 제 2 임계값 (Vcap4) 보다 작아진 경우에는, 발전기 모터 (3) 의 어시스트 동작을 적게 하기 시작하고, 제 1 임계값 (Vcap3) 을 밑돈 경우에는, 발전기 모터 (3) 의 어시스트 동작을 중지시킬 수 있기 때문에, 시스템이 작동 불가능하게 되는 것을 확실하게 방지하는 것이 가능해진다.

도 7 은, 커패시터 방전시에 발전기 모터 (3) 측의 제어와 병행하여 실시되는 선회 모터 (9) 의 제어 개요를 나타내는 플로우 차트이다. 또, 도 8 은, 도 7 에 나타내는 플로우 차트를 신호의 흐름에 기초하여 보다 상세하게 기재한 처리 흐름도이다.

제어기 (12) 는, 전압 센서 (7) 가 계측한 커패시터 (6) 의 커패시터 전압 (Vcap) 에 따른 선회 역행 토크 제한값을 산출하여 출력한다 (단계 S11).

도 9 는, 단계 S11 에서 제어기 (12) 가 참조하는 커패시터 전압 (Vcap) 과 선회 모터 (9) 의 선회 역행 토크 제한값 (SwgTrqLimit) 의 관계를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 곡선 (L4) 은, 커패시터 전압 (Vcap) 이 제 3 임계값 (Vcap1) 이하에서는 제로이고, 커패시터 전압 (Vcap) 이 제 3 임계값 (Vcap1) 보다 커짐에 따라 서서히 증가하고, 제 4 임계값 (Vcap5) 이상에서 일정값 (SwgTrqLimit1) 을 취한다.

여기서, 제 3 임계값 (Vcap1) 은, 커패시터 전압 (Vcap) 의 동작 전압 범위의 하한값임에 틀림없다. 또, 제 4 임계값 (Vcap5) 은, 제 3 임계값 (Vcap1) 보다 크고, 커패시터 전압 (Vcap) 의 동작 전압 범위 (Vcap1～Vcap2) 에 포함된다.

또한, 도 9 에서는, 커패시터 전압 (Vcap) 이 Vcap1＜Vcap＜Vcap5 인 경우, 선회 역행 토크 제한값 (SwgTrqLimit) 이 커패시터 전압 (Vcap) 의 증가에 수반하여 선형으로 증가하고 있지만, 이것은 어디까지나 일례에 불과하다. 즉, 선회 역행 토크 제한값 (SwgTrqLimit) 은, 커패시터 전압 (Vcap) 의 증가에 수반하여 단조롭게 증가하면 되고, 반드시 선형일 필요는 없다.

제어기 (12) 는, 작업자가 조작 입력부 (13) 의 레버를 조작했을 때의 조작량 (레버 스트로크) 에 따라 목표 속도를 산출한다 (단계 S12).

그 후, 제어기 (12) 는, 선회 모터의 토크 지령값을 산출한다 (단계 S13). 이 토크 지령값을 산출할 때, 제어기 (12) 는, 단계 S12 에서 구한 목표 속도와 선회 모터 (9) 의 실속도의 차이를 산출하고 (단계 S131), 이 산출한 차이에 소정의 비례 상수를 곱함으로써 선회 역행 토크 지령값으로 변환한다 (단계 S132).

이어서, 제어기 (12) 는, 단계 S11 에서 출력한 선회 역행 토크 제한값과 단계 S13 에서 출력한 토크 지령값과 메모리 (12a) 로부터 판독하여 비교하고, 값이 작은 쪽을 선택하여 실토크 지령값으로서 생성하고, 출력한다 (단계 S14).

제어기 (12) 로부터 실토크 지령값의 입력을 받은 선회 인버터 (10) 는, 그 실토크 지령값에 따라 선회 모터 (9) 에 구동 지령을 출력한다 (단계 S15). 선회 모터 (9) 는, 선회 인버터 (10) 에 의해 출력되는 구동 지령에 기초하여 구동하 고, 토크를 발생한다 (단계 S16). 선회 모터 (9) 의 실속도 (실회전수) 는, 소정의 회전수 센서에 의해 연속해서 계측되고, 상기 서술한 단계 S13 (S131) 에 피드백된다.

이와 같이 하여, 선회 모터 (9) 의 선회 역행 토크를 제어할 때, 선회 모터 (9) 의 실속도를 피드백하는 비례 제어를 실시함으로써 생성된 토크 지령값과, 도 9 의 곡선 (L4) 에 상당하고, 메모리 (12a) 에 저장되어 있는 변환 테이블을 참조함으로써 얻어진 선회 모터 (9) 의 선회 역행 토크 제한값을 비교하고, 작은 쪽의 값을 실토크 지령으로서 채용하고 있다. 이 결과, 커패시터 전압 (Vcap) 이 제 4 임계값 (Vcap5) 보다 작아진 경우에는, 선회 모터 (9) 의 선회 역행 동작을 적게 하기 시작하고, 제 3 임계값 (Vcap1) 을 밑돈 경우에는, 선회 모터 (9) 의 선회 역행 동작을 중지시킬 수 있기 때문에, 시스템이 작동 불가능하게 되는 것을 확실하게 방지하는 것이 가능해진다.

그런데, 본 실시형태에 있어서는, 커패시터 (6) 와 인버터 (5) 및 선회 인버터 (10) 사이에 승압기 (8) 가 설치되어 있다. 이 때문에, 상기 서술한 제어를 실시할 때에는, 승압기 (8) 의 동작 특성에 따른 제어가 필요하게 된다. 구체적으로는, 승압기 (8) 는, 도 3 을 참조하여 설명한 동작 특성을 갖고 있고, 커패시터 방전시의 제어에 있어서, 승압기 (8) 의 출력 한계값 (BstInPowLimit) 은 곡선 (L1) 에 따른다. 이 때문에, 커패시터 전압 (Vcap) 에 따라 승압기 (8) 의 출력이 한계를 초과할 것 같은 경우에는, 커패시터 (6) 의 방전을 줄여야 한다.

커패시터 (6) 의 방전을 줄이기 위해서는, 발전기 모터 (3) 와 선회 모터 (9) 의 토크를 제한하면 된다. 이 경우, 선회 모터 (9) 는, 본래 작업자에 의한 조작에 기초하여 토크 지령값이 생성되고 있기 때문에, 승압기 (8) 의 성능에 따른 처리를 선회 모터 (9) 측에 맡게 하면, 작업자가 조작시의 위화감을 느끼기 쉬워 조작의 스피드에도 영향이 발생한다. 이에 대하여, 발전기 모터 (3) 의 어시스트 토크의 변화는, 엔진 회전수의 상승 정도의 변화이기 때문에, 선회체 (102) 의 선회 속도의 변화에 비해 작업자는 알기 어렵다. 이 점을 감안하여, 본 실시형태에서는, 발전기 모터 (3) 의 어시스트 토크 제한값을 제로로 하는 임계값 (Vcap3) 의 값을, 선회 모터 (9) 의 선회 역행 토크 제한값을 제로로 하는 임계값 (Vcap1) (=커패시터 (6) 의 동작 전압 범위의 하한값) 보다 크게 하고, 승압기 (8) 의 출력이 한계를 초과함으로써, 시스템이 작동 불가능하게 되는 것을 회피하기 위한 처리를 발전기 모터 (3) 측에서 최대한 실시하는 설정으로 하고 있다.

다음으로, 커패시터 (6) 충전시의 유압 셔블 (1) 의 제어 방법에 대해 설명한다. 본 실시형태에 있어서는, 커패시터 충전시의 제어로서, 승압기 (8) 의 출력 (=커패시터 (6) 에 대한 입력) 이 상한값을 초과할 것 같은 경우에는, 발전기 모터 (3) 의 출력을 제어함으로써 시스템이 작동 불가능하게 되는 것을 회피한다.

도 10 은, 커패시터 충전시의 발전기 모터 (3) 의 제어 개요를 나타내는 플로우 차트이다. 또, 도 11 은, 도 10 에 나타내는 플로우 차트를 신호의 흐름에 기초하여 보다 상세하게 기재한 처리 흐름도이다.

먼저, 제어기 (12) 는, 전압 센서 (7) 가 계측한 커패시터 (6) 의 커패시터 전압 (Vcap) 에 따른 승압기 (8) 의 출력 한계값 (BstInPowLimit) 을 산출한다 (단 계 S21). 이 단계 S21 에 있어서의 계산은, 도 3 의 곡선 (L2) 을 참조함으로써 실시된다.

그 후, 제어기 (12) 는, 단계 S21 에서 구한 승압기 (8) 의 출력 한계값 (BstInPowLimit) 과 선회 모터 (9) 의 출력의 합을 취하고, 발전기 모터 (3) 의 출력 한계값으로서 출력한다 (단계 S22). 또한, 선회 모터 (9) 의 출력은 회생시를 부 (負) 로 한다.

제어기 (12) 는, 단계 S21, 22 의 처리와 병행하여, 발전기 모터 (3) 의 실토크 지령값 및 회전수의 계측값을 사용함으로써 목표 출력값을 산출한다 (단계 S23).

그 후, 제어기 (12) 는, 단계 S22 에서 출력한 발전기 모터 출력 한계값과 단계 S23 에서 출력한 목표 출력값과 메모리 (12a) 로부터 판독하여 비교하고, 값이 작은 쪽을 선택하여 실목표 출력값으로서 생성하고, 출력한다 (단계 S24).

제어기 (12) 는, 단계 S24 에서 출력한 실목표 출력과 발전기 모터 (3) 의 회전수로부터 토크를 산출하고, 이 산출한 토크를 실토크 지령값으로서 출력한다 (단계 S25).

제어기 (12) 로부터 실토크 지령값의 입력을 받은 인버터 (5) 는, 그 실토크 지령값에 따라 발전기 모터 (3) 에 구동 지령을 출력한다 (단계 S26). 발전기 모터 (3) 는, 인버터 (5) 에 의해 출력되는 구동 지령에 기초하여 구동하고, 토크를 발생한다 (단계 S27).

선회 모터 (9) 가 브레이크 상태 (회생 상태) 에 있을 때, 발전기 모터 (3) 가 발전 상태 (회생 상태) 에 있으면, 승압기 (8) 는 한계 이상의 입력 상태가 될 가능성이 있다. 본 실시형태에서는, 그러한 과잉의 입력 상태를 회피하기 위해, 승압기 (8) 의 입력 한계를 고려한 후, 발전기 모터 (3) 의 발전량을 제한하고 있다.

이상 설명한 본 발명의 일 실시형태에 의하면, 커패시터 방전시에는 발전기 모터나 선회 모터의 커패시터 전압에 따른 토크 제한값을 각각 참조하여 실토크 지령값을 생성하는 한편, 커패시터 충전시에는 발전기 모터의 실목표 출력값을 생성함으로써, 커패시터를 대용량화하지 않고 시스템이 작동 불가능하게 되는 것을 회피할 수 있다.

또, 본 실시형태에 의하면, 발전기 모터의 실토크 지령값 (커패시터 방전시) 이나 실목표 출력값 (커패시터 충전시) 은, 커패시터 전압에 따른 승압기의 출력 한계를 고려한 것인 한편, 선회 모터쪽에는 승압기의 영향이 적고, 또한 토크에만 제한이 가해지므로, 선회 조작시의 작업자에 의한 조작 지령에 대한 선회 동작의 지연을 억제할 수 있다. 따라서, 작업자는 조작시에 위화감을 느끼지 않는다.

이제까지 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 설명해 왔지만, 본 발명은, 상기 서술한 일 실시형태에 의해서만 한정되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 발전기 모터의 제어와 선회 모터의 제어를 개별적으로 단독으로 실시하도록 하는 것도 가능하다.

또, 발전기 모터의 커패시터 충전시의 제어와 커패시터 방전시의 제어를 개별적으로 단독으로 실시하도록 해도 된다.

이와 같이, 본 발명은, 여기서는 기재하지 않은 여러 가지 실시형태 등을 포함할 수 있는 것이며, 특허 청구의 범위에 의해 특정되는 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 설계 변경 등을 실시하는 것이 가능하다.

이상과 같이, 본 발명은, 구동원으로서 서로 연결된 엔진 및 발전기 모터를 구비함과 함께, 축전 장치로서의 커패시터와, 발전기 모터 및 커패시터로부터 전력을 공급받는 선회 모터를 구비한 하이브리드 건설 기계의 제어를 실시할 때 유용하다.

Claims

서로 연결된 엔진 및 발전기 모터와, 상기 발전기 모터로부터 전력이 공급되고, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터와, 상기 발전기 모터 및 상기 선회 모터가 각각 발전한 전력을 축전하는 한편, 상기 발전기 모터 및 상기 선회 모터에 전력을 공급하는 커패시터와, 상기 커패시터의 전압을 승압시켜 출력하는 승압기를 구비한 하이브리드 건설 기계의 제어 방법으로서,

상기 승압기가 상기 커패시터의 방전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터의 커패시터 전압에 따른 상기 발전기 모터의 어시스트 토크 제한값을 산출하는 어시스트 토크 제한값 산출 단계와,

상기 발전기 모터의 목표 속도에 따라 상기 발전기 모터의 토크 지령값을 계산하는 발전기 모터 토크 지령값 계산 단계와,

상기 어시스트 토크 제한값 산출 단계에서 산출한 어시스트 토크 제한값과 상기 발전기 모터 토크 지령값 계산 단계에서 계산한 토크 지령값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 발전기 모터의 실 (實) 토크 지령값으로서 생성하는 발전기 모터 실토크 지령값 생성 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 어시스트 토크 제한값은, 상기 커패시터 전압이 제 1 임계값 이하에서 제로이고, 상기 커패시터 전압이 상기 제 1 임계값보다 커짐에 따라 서서히 증가하고, 상기 제 1 임계값보다 큰 제 2 임계값 이상에서 일정값을 취하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 제어 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 발전기 모터 토크 지령값 계산 단계는,

상기 발전기 모터의 실속도를 피드백하는 비례 제어를 실시함으로써 상기 발전기 모터의 토크 지령값을 계산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 제어 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 승압기가 상기 커패시터의 방전시에 발전기 모터 측의 제어와 병행하여 실시되는 경우, 상기 커패시터 전압에 따른 상기 선회 모터의 선회 역행 토크 제한값을 산출하는 선회 역행 토크 제한값 산출 단계와,

상기 선회 모터의 목표 속도에 따라 상기 선회 모터의 토크 지령값을 계산하는 선회 모터 토크 지령값 계산 단계와,

상기 선회 역행 토크 제한값 산출 단계에서 산출한 선회 역행 토크 제한값과 상기 선회 모터 토크 지령값 계산 단계에서 계산한 토크 지령값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 선회 모터의 실토크 지령값으로서 생성하는 선회 모터 실토크 지령값 생성 단계를 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 제어 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 선회 역행 토크 제한값은, 상기 커패시터 전압이 상기 제 1 임계값보다 작은 제 3 임계값 이하에서 제로이고, 상기 커패시터 전압이 상기 제 3 임계값보다 커짐에 따라 서서히 증가하고, 상기 제 3 임계값보다 큰 제 4 임계값 이상에서 일정값을 취하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 제어 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 선회 모터 토크 지령값 계산 단계는,

상기 선회 모터의 실속도를 피드백하는 비례 제어를 실시함으로써 상기 선회 모터의 토크 지령값을 계산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 제어 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 승압기가 상기 커패시터의 충전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터 전압에 따른 상기 승압기의 출력 한계값을 산출하는 승압기 출력 한계값 산출 단계와,

상기 승압기 출력 한계값 산출 단계에서 산출한 출력 한계값과 상기 선회 모터의 출력을 이용하여 상기 발전기 모터의 출력 한계값을 구하는 발전기 모터 출력 한계값 산출 단계와,

상기 발전기 모터 출력 한계값 산출 단계에서 산출한 상기 발전기 모터의 출력 한계값과 상기 발전기 모터의 목표 출력값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 발전기 모터의 실목표 출력값으로서 생성하는 실목표 출력값 생성 단계와,

상기 실목표 출력값 생성 단계에서 생성한 실목표 출력값과 상기 발전기 모터의 회전수를 이용하여 상기 발전기 모터의 실토크 지령값을 생성하는 충전시 발전기 모터 실토크 지령값 생성 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 제어 방법.
서로 연결된 엔진 및 발전기 모터와, 상기 발전기 모터로부터 전력이 공급되고, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터와, 상기 발전기 모터 및 상기 선회 모터가 각각 발전한 전력을 축전하는 한편, 상기 발전기 모터 및 상기 선회 모터에 전력을 공급하는 커패시터와, 상기 커패시터의 전압을 승압시켜 출력하는 승압기를 구비한 하이브리드 건설 기계로서,

상기 커패시터의 커패시터 전압을 연속해서 계측하는 커패시터 전압 계측 수단과,

상기 승압기가 상기 커패시터의 방전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터 전압 계측 수단으로 계측한 커패시터 전압에 따른 상기 발전기 모터의 어시스트 토크 제한값을 산출하는 한편, 상기 발전기 모터의 목표 속도에 따라 상기 발전기 모터의 토크 지령값을 계산하고, 상기 어시스트 토크 제한값과 상기 발전기 모터의 토크 지령값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 발전기 모터의 실토크 지령값으로서 생성, 출력하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계.
제 8 항에 있어서,

상기 제어 수단은,

상기 승압기가 상기 커패시터의 방전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터 전압 계측 수단이 계측한 커패시터 전압에 따른 상기 선회 모터의 선회 역행 토크 제한값을 산출하는 한편, 상기 선회 모터의 목표 속도에 따라 상기 선회 모터의 토크 지령값을 계산하고, 상기 선회 역행 토크 제한값과 상기 선회 모터의 토크 지령값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 선회 모터의 실토크 지령으로서 생성, 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

상기 제어 수단은,

상기 승압기가 상기 커패시터의 충전에 수반된 출력을 실시하는 경우, 상기 커패시터 전압 계측 수단이 계측한 커패시터 전압에 따른 상기 승압기의 출력 한계값을 산출하고, 이 산출한 출력 한계값과 상기 선회 모터의 출력을 이용하여 상기 발전기 모터의 출력 한계값을 구하고, 이 출력 한계값과 상기 발전기 모터의 목표 출력값을 비교하고, 값이 작은 쪽을 상기 발전기 모터의 실목표 출력값으로서 생 성, 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계.