KR101229330B1

KR101229330B1 - 선회구동제어장치 및 이를 포함하는 건설기계

Info

Publication number: KR101229330B1
Application number: KR1020107026663A
Authority: KR
Inventors: 기미노리 사노; 히로소 쇼노
Original assignee: 스미토모 겐키 가부시키가이샤; 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2013-02-04
Also published as: EP2287406A4; US20110071739A1; CN102046889B; US8437923B2; WO2009144803A1; JPWO2009144803A1; JP5090527B2; EP2287406A1; CN102046889A; KR20110013426A; EP2287406B1

Abstract

전동기로 선회구동되는 건설기계의 선회기구를 구동제어하는 선회구동제어장치로서, 건설기계의 조작부를 통하여 입력되는 조작량에 근거하여, 상기 전동기의 회전속도를 제어하기 위한 속도지령을 출력하는 속도지령 출력부와, 상기 선회기구의 회전축에 걸리는 토크의 방향을 검출하는 토크방향 검출부와, 상기 속도지령 출력부로부터 출력되는 속도지령에 근거하여, 상기 전동기를 구동하기 위한 구동지령을 생성하여, 상기 전동기의 구동제어를 행하는 구동제어부를 포함하며, 상기 구동제어부는, 상기 선회기구의 선회를 개시시킬 때에는, 상기 속도지령 출력부로부터 출력되는 속도지령에 의하여 나타나는 선회방향과, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 역방향인 경우에, 상기 구동지령을 이용하여 상기 전동기의 구동을 개시한다.

Description

선회구동제어장치 및 이를 포함하는 건설기계{Swivel drive controller and construction machine including the same}

본 발명은, 건설기계의 선회기구의 구동제어를 행하는 선회구동제어장치 및 이를 포함하는 건설기계에 관한 것이다.

종래부터, 상부선회체를 선회시키기 위한 선회기구의 동력원으로서 전동기를 구비하는 건설기계가 제안되어 있다. 이와 같은 건설기계에서는, 전동기의 역행(力行)운전으로 선회기구를 가속(구동)함과 함께, 선회기구를 감속(제동)할 때 회생(回生)운전을 행하여, 발전되는 전력을 배터리에 충전하고 있다(예컨대, 특허문헌 1). 또한, 이 특허문헌 1에 기재된 건설기계는, 선회기구 이외의 구동기구를 유압으로 구동하기 위하여 유압펌프를 구비하는데, 이 유압펌프를 구동하기 위한 엔진에 증속기를 통하여 발전기를 접속시키고, 발전으로 얻는 전력을 배터리의 충전과 선회기구의 전동기의 구동에 이용하고 있다.

일본 공개특허 평2004-036303호 공보

그런데, 상부선회체에는 붐 및 암 등의 긴 작업요소가 탑재되어 있고, 또한 암의 선단에는 버킷이 접속되어 있다. 붐이나 암은 길고, 또한, 그 선단에 접속되는 버킷은 매우 무겁기 때문에, 상부선회체가 선회상태로부터 정지한 직후에는, 붐, 암, 및 버킷에 선회방향의 진동이 발생한다.

이와 같이 진동이 발생되어 있는 상태에서 다시 선회를 행하는 경우에, 진동의 방향과 선회방향이 동일방향인 상태에서 선회를 개시하면, 붐, 암, 및 버킷이 선회방향에 대하여 지연되는 방향으로 다시 진동하고, 이로써 진동이 증폭되기 (혹은 새로운 진동이 발생하기) 때문에, 부드럽게 선회를 개시할 수 없어서, 승차감이 악화되는 경우가 있다는 과제가 있었다.

또한, 이와 같은 진동의 증폭은, 버킷에 토사 등을 적재하고 있는 경우나, 버킷보다도 중량이 큰 리프팅 마그넷을 장착하고 있는 경우에는, 보다 현저해질 가능성이 있었다.

또한, 이와 같이 부드럽게 선회를 개시할 수 없는 경우에는, 선회기구의 기어의 백래시에 의한 충격이 생길 가능성이 있다.

이와 같은 백래시에 의한 덜컹거림이 발생하면, 상부선회체에 큰 충격이 전달되고, 선회구동을 매끄럽게 개시할 수 없어서, 승차감이 악화된다는 과제가 있었다. 또한, 백래시의 덜컹거림이 계속되면, 선회기구의 기어가 손상된다는 과제가 있었다.

본 발명은, 선회 개시시에 있어서의 승차감이 양호하고 선회기구의 수명 장기화를 실현할 수 있는 선회구동제어장치 및 이를 포함하는 건설기계를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 하나의 국면의 선회구동제어장치는, 전동기로 선회구동되는 건설기계의 선회기구를 구동제어하는 선회구동제어장치로서, 건설기계의 조작부를 통하여 입력되는 조작량에 근거하여, 상기 전동기의 회전속도를 제어하기 위한 속도지령을 출력하는 속도지령 출력부와, 상기 선회기구의 회전축에 걸리는 토크의 방향을 검출하는 토크방향 검출부와, 상기 속도지령 출력부로부터 출력되는 속도지령에 근거하여, 상기 전동기를 구동하기 위한 구동지령을 생성하여, 상기 전동기의 구동제어를 행하는 구동제어부를 포함하고, 상기 구동제어부는, 상기 선회기구의 선회를 개시시킬 때에는, 상기 속도지령 출력부로부터 출력되는 속도지령에 의하여 나타나는 선회방향과, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 역방향인 경우에, 상기 구동지령을 이용하여 상기 전동기의 구동을 개시한다.

또한, 상기 구동제어부는, 상기 조작부가 조작되었을 경우에, 상기 속도지령 출력부로부터 출력되는 속도지령에 의하여 나타나는 선회방향과, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 동일방향인 경우에는, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 상기 선회방향과 역방향이 되고나서, 상기 전동기의 구동을 개시하여도 된다.

또한, 상기 구동제어부는, 상기 속도지령 출력부로부터 출력되는 속도지령에 의하여 나타나는 선회방향과, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 동일방향인 경우에는, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 상기 선회방향과 역방향이 될 때까지, 상기 구동지령의 값을 절대치로 소정치 이하로 하여도 된다.

또한, 이 경우에, 상기 구동제어부는, 상기 구동지령에 의하여 상기 전동기에서 발생하는 구동토크가 허용치 이하가 되도록 상기 구동지령의 값을 절대치로 제한하는 제한부를 포함하고, 상기 허용치를 절대치로 통상치보다 저하시킴으로써, 상기 구동지령의 값을 절대치로 소정치 이하로 하여도 된다.

또한, 상기 토크방향 검출부는, 상기 회전속도 검출부에서 검출되는 상기 전동기의 회전속도의 시간변화량을 연산하고, 이 회전속도의 시간변화량으로 나타나는 가속도의 방향을 상기 토크방향으로서 검출하여도 된다.

또한, 이 대신에, 상기 토크방향 검출부는, 상기 구동지령 생성부에서 생성되는 구동지령에 의하여 나타나는 가속도의 방향을 상기 토크방향으로서 검출하여도 된다.

또한, 이 대신에, 상기 선회기구의 선회에 의하여 발생하는 가속도를 검출하는 가속도계를 포함하고, 상기 토크방향 검출부는, 상기 가속도계에 의하여 검출되는 가속도의 방향에 근거하여 상기 토크방향으로서 검출하여도 된다.

본 발명의 하나의 국면의 건설기계는. 상기 어느 하나에 기재된 선회구동제어장치를 포함한다.

본 발명에 의하면, 선회 개시시에 있어서의 승차감이 양호하고 선회기구의 수명 장기화를 실현할 수 있는 선회구동제어장치 및 이를 포함하는 건설기계를 제공할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은, 실시형태 1의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계를 나타내는 측면도이다.
도 2는, 실시형태 1의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은, 실시형태 1의 건설기계의 속도지령 변환부(31)에 있어서 조작레버(26A)의 조작량을 속도지령(상부선회체(3)를 선회시키기 위하여 선회용 전동기(21)를 회전시키기 위한 속도지령)으로 변환하는 변환특성을 나타내는 도면이다.
도 4는, 실시형태 1의 선회구동제어장치의 구성을 나타내는 제어블록도이다.
도 5는, 실시형태 1의 선회구동제어장치(40)의 주(主)제어부(60)에 의한 선회용 전동발전기(21)의 선회 개시시의 구동제어의 처리순서를 나타내는 도면이다.
도 6은, 실시형태 1의 선회구동제어장치(40)에 의한 선회용 전동발전기(21)의 선회 개시시의 속도지령, 회전속도, 및 구동토크의 특성을 나타내는 도면이며, (a)는 역상(逆相)인 경우에 선회를 개시하였을 경우의 특성, (b)는 비교를 위하여 동상(同相)인 경우에 선회를 개시하였을 경우의 특성을 나타낸다.
도 7은, 실시형태 2의 선회구동제어장치(40)의 구성을 나타내는 제어블록도이다.
도 8은, 실시형태 3의 선회구동제어장치(40)의 구성을 나타내는 제어블록도이다.
도 9는, 실시형태 3의 변형예의 선회구동제어장치(40)의 구성을 나타내는 제어블록도이다.

이하, 본 발명의 선회구동제어장치 및 이를 포함하는 건설기계를 적용한 실시형태에 대하여 설명한다.

[실시형태 1]

도 1은, 실시형태 1의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계를 나타내는 측면도이다.

이 건설기계의 하부주행체(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부선회체(3)가 탑재되어 있다. 또한, 상부선회체(3)에는, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)과, 이들을 유압구동하기 위한 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)뿐 아니라, 캐빈(10) 및 동력원이 탑재된다.

<전체 구성>

도 2는, 실시형태 1의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계의 구성을 나타내는 블록도이다. 이 도 2에서는, 기계적 동력계를 이중선, 고압 유압라인을 실선, 파일럿라인을 파선, 전기 구동·제어계를 일점쇄선으로 각각 나타낸다.

기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 모두 증력기로서의 감속기(13)의 입력축에 접속되어 있다. 또한, 이 감속기(13)의 출력축에는, 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압 유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다.

컨트롤밸브(17)는, 실시형태 1의 건설기계에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 제어장치이며, 이 컨트롤밸브(17)에는, 하부주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)가 고압 유압라인을 통하여 접속된다.

또한, 전동발전기(12)에는, 인버터(18)를 통하여 배터리(19)가 접속되어 있고, 또한, 배터리(19)에는, 인버터(20)를 통하여 선회용 전동발전기(21)가 접속되어 있다.

선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에는, 리졸버(22), 미캐니컬 브레이크(23), 및 선회감속기(24)가 접속된다. 또한, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다.

조작장치(26)에는, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 압력센서(29)가 각각 접속된다. 이 압력센서(29)에는, 실시형태 1의 건설기계의 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)가 접속되어 있다.

이와 같은 실시형태 1의 건설기계는, 엔진(11), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21)를 동력원으로 하는 하이브리드형의 건설기계이다. 이들 동력원은, 도 1에 나타내는 상부선회체(3)에 탑재된다. 이하, 각 부에 대하여 설명한다.

<각 부의 구성>

엔진(11)은, 예컨대, 디젤엔진으로 구성되는 내연기관이며, 그 출력축은 감속기(13)의 일방의 입력축에 접속된다. 이 엔진(11)은, 건설기계의 운전 중에는 상시 운전된다.

전동발전기(12)는, 역행운전 및 회생운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 된다. 여기에서는, 전동발전기(12)로서, 인버터(18)에 의하여 교류 구동되는 전동발전기를 나타낸다. 이 전동발전기(12)는, 예컨대, 자석이 로터 내부에 내장된 IPM(Interior Permanent Magnetic) 모터로 구성할 수 있다. 전동발전기(12)의 회전축은 감속기(13)의 타방의 입력축에 접속된다.

감속기(13)는, 2개의 입력축과 1개의 출력축을 가진다. 2개의 입력축의 각각에는, 엔진(11)의 구동축과 전동발전기(12)의 구동축이 접속된다. 또한, 출력축에는 메인펌프(14)의 구동축이 접속된다. 엔진(11)의 부하가 큰 경우에는, 전동발전기(12)가 역행운전을 행하여, 전동발전기(12)의 구동력이 감속기(13)의 출력축을 거쳐서 메인펌프(14)에 전달된다. 이로써 엔진(11)의 구동이 어시스트된다. 한편, 엔진(11)의 부하가 작은 경우에는, 엔진(11)의 구동력이 감속기(13)를 거쳐서 전동발전기(12)에 전달됨으로써, 전동발전기(12)가 회생운전에 의한 발전을 행한다. 전동발전기(12)의 역행운전과 회생운전의 전환은, 컨트롤러(30)에 의하여, 엔진(11)의 부하 등에 따라서 행하여진다.

메인펌프(14)는, 컨트롤밸브(17)에 공급하기 위한 유압을 발생시키는 펌프이다. 이 유압은, 컨트롤밸브(17)를 통하여 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)의 각각을 구동하기 위하여 공급된다.

파일럿펌프(15)는, 유압조작계에 필요한 파일럿압을 발생시키는 펌프이다. 이 유압조작계의 구성에 대해서는 후술한다.

컨트롤밸브(17)는, 고압 유압라인을 통하여 접속되는 하부주행체(1)용의 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)의 각각에 공급하는 유압을 운전자의 조작입력에 따라서 제어함으로써, 이들을 유압구동제어하는 유압제어장치이다.

인버터(18)는, 전동발전기(12)의 역행운전에 필요한 전력을 배터리(19)로부터 전동발전기(12)에 공급함과 함께, 전동발전기(12)의 회생운전에 의하여 발전된 전력을 배터리(19)에 충전하기 위하여 전동발전기(12)와 배터리(19) 사이에 설치된 인버터이다.

배터리(19)는, 인버터(18)와 인버터(20) 사이에 배치되어 있다. 이로써, 전동발전기(12)와 선회용 전동기(21) 중 적어도 어느 일방이 역행운전을 행하고 있을 때에는, 역행운전에 필요한 전력을 공급함과 함께, 또한, 적어도 어느 일방이 회생운전을 행하고 있을 때에는, 회생운전에 의하여 발생한 회생전력을 전기에너지로서 축적하기 위한 전원이다.

인버터(20)는, 상기 서술한 바와 같이 선회용 전동기(21)와 배터리(19) 사이에 설치되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 선회용 전동기(21)에 대하여 운전제어를 행한다. 이로써, 인버터가 선회용 전동기(21)의 역업(力業)을 운전제어하고 있을 때에는, 필요한 전력을 배터리(19)로부터 선회용 전동기(21)에 공급한다. 또한, 선회용 전동기(21)가 회생운전하고 있을 때에는, 선회용 전동기(21)에 의하여 발전된 전력을 배터리(19)에 충전한다.

선회용 전동발전기(21)는, 역행운전 및 회생운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 되고, 상부선회체(3)의 선회기구(2)를 구동하기 위하여 설치되어 있다. 선회용 전동발전기(21)는, 역행운전에 의하여 상부선회체(3)를 가속시키고, 상부선회체(3)의 감속시에 회생운전을 행하도록 구동제어된다. 여기에서는, 선회용 전동발전기(21)로서, 인버터(20)에 의하여 교류 구동되는 전동발전기를 나타낸다. 이 선회용 전동발전기(21)는, 예컨대, 자석 내장형의 IPM 모터로 구성할 수 있다.

다만, 배터리(19)의 충방전제어는, 배터리(19)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(역행운전 또는 회생운전), 선회용 전동발전기(21)의 운전상태(역행운전 또는 회생운전)에 근거하여, 컨트롤러(30)에 의하여 행하여진다.

리졸버(22)는, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)의 회전위치 및 회전각도를 검출하는 센서이며, 선회용 전동기(21)와 기계적으로 연결되므로 선회용 전동기(21)의 회전 전의 회전축(21a)의 회전위치와, 좌회전 또는 우회전한 후의 회전위치의 차를 검출함으로써, 회전축(21a)의 회전각도 및 회전방향을 검출하도록 구성되어 있다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)의 회전각도를 검출함으로써, 선회기구(2)의 회전각도 및 회전방향이 도출된다.

미캐니컬 브레이크(23)는, 기계적인 제동력을 발생시키는 제동장치이며, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)을 기계적으로 정지시킨다. 이 미캐니컬 브레이크(23)는, 전자(電磁)식 스위치에 의하여 제동(온)/해제(오프)가 전환된다.

선회감속기(24)는, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)의 회전속도를 감속하여 선회기구(2)에 기계적으로 전달하는 감속기이다.

선회기구(2)는, 선회용 전동기(21)의 미캐니컬 브레이크(23)가 해제된 상태에서 선회 가능하게 되고, 이 상태에 있어서, 상부선회체(3)가 좌방향 또는 우방향으로 선회된다.

조작장치(26)는, 선회용 전동기(21), 하부주행체(1), 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)을 조작하기 위한 조작장치이며, 레버(26A 및 26B)와 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A)는, 선회용 전동기(21) 및 암(5)을 조작하기 위한 레버이며, 상부선회체(3)의 운전석 근방에 설치된다. 레버(26B)는, 붐(4) 및 버킷(6)을 조작하기 위한 레버이며, 운전석 근방에 설치된다. 또한, 페달(26C)은, 하부주행체(1)를 조작하기 위한 한 쌍의 페달이며, 운전석의 발 아래에 설치된다.

이 조작장치(26)는, 파일럿라인(25)을 통하여 공급되는 유압(1차측의 유압)을 운전자의 조작량에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작장치(26)로부터 출력되는 2차측의 유압은, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)에 공급됨과 함께, 압력센서(29)에 의하여 검출된다.

레버(26A 및 26B)와 페달(26C)의 각각이 조작되면, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 구동되고, 이로써, 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9) 내의 유압이 제어됨으로써, 하부주행체(1), 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 구동된다.

또한, 미캐니컬 브레이크(23)는, 레버(26A, 26B), 또는 페달(26C) 중 어느 하나가 조작되면, 컨트롤러(30)에 의하여 해제되도록 구성된다.

다만, 유압라인(27)은, 유압모터(1A 및 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더의 구동에 필요한 유압을 컨트롤밸브에 공급한다.

압력센서(29)에서는, 레버(26A)의 조작에 의한, 유압라인(28) 내의 유압의 변화가 압력센서(29)로 검출된다. 압력센서(29)는, 유압라인(28) 내의 유압을 나타내는 전기신호를 출력한다. 이 전기신호는, 컨트롤러(30)에 입력된다.

<컨트롤러(30)>

컨트롤러(30)는, 실시형태 1의 건설기계의 구동제어를 행하는 제어장치이며, 속도지령 변환부(31), 구동제어장치(32), 및 선회구동제어장치(40)를 포함한다. 이 컨트롤러(30)는, CPU(Central Processing Unit) 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성되고, 속도지령 변환부(31), 구동제어장치(32), 및 선회구동제어장치(40)는, 컨트롤러(30)의 CPU가 내부메모리에 격납되는 구동제어용의 프로그램을 실행함으로써 실현되는 장치이다.

속도지령 변환부(31)는, 압력센서(29)로부터 입력되는 신호를 속도지령으로 변환하는 연산처리부이다. 이로써, 레버(26A)의 조작량은, 선회용 전동기(21)를 회전구동시키기 위한 속도지령(rad/s)으로 변환된다. 이 속도지령은, 구동제어장치(32) 및 선회구동제어장치(40)에 입력된다.

구동제어장치(32)는, 전동발전기(12)의 운전제어 (역행운전 또는 회생운전의 전환), 및, 배터리(19)의 충방전제어를 행하기 위한 제어장치이다. 이 구동제어장치(32)는, 엔진(11)의 부하상태와 배터리(19)의 충전상태에 따라서, 전동발전기(12)의 역행운전과 회생운전을 전환한다. 구동제어장치(32)는, 전동발전기(12)의 역행운전과 회생운전을 전환함으로써, 인버터(18)를 통하여 배터리(19)의 충방전제어를 행한다.

<조작량/속도지령의 변환특성>

도 3은, 실시형태 1의 건설기계의 속도지령 변환부(31)에 있어서 조작레버(26A)의 조작량을 속도지령(상부선회체(3)를 선회시키기 위하여 선회용 전동기(21)를 회전시키기 위한 속도지령)으로 변환하는 변환특성을 나타내는 도면이다.

여기에서, 도 3에 나타내는 변환특성은, 선회용 전동기(21)의 정지상태로부터 회전을 개시할 때(상부선회체(3)의 정지상태로부터 선회를 개시할 때)의 특성이며, 조작레버(26A)의 조작량에 따라서, 불감대 영역, 영 속도지령 영역(좌선회용 및 우선회용), 좌방향 선회구동영역, 및 우방향 선회구동영역의 5개 영역으로 구분된다.

여기에서, 실시형태 1의 건설기계의 제어계에서는, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)이 반시계방향으로 회전하는 회전방향을 “정회전”이라 하고, 정회전방향의 구동을 나타내는 제어량에 플러스 부호를 붙인다. 한편, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)이 시계방향으로 회전하는 회전방향을 “역회전”이라 하고, 역회전방향의 구동을 나타내는 제어량에 마이너스 부호를 붙인다. 정회전은, 상부선회체(3)의 우방향으로의 선회에 대응하고, 역회전은, 상부선회체의 좌방향으로의 선회에 대응한다.

<불감대 영역>

이 변환특성에 나타내는 바와 같이, 불감대 영역은, 레버(26A)의 중립점 부근(±10%의 범위 내)에 형성되어 있다. 이 불감대 영역에서는, 속도지령 변환부(31)로부터 속도지령은 출력되지 않아, 선회구동제어장치(40)에 의한 선회용 전동기(21)의 구동제어는 행하여지지 않는다. 또한, 불감대 영역에서는, 미캐니컬 브레이크(23)에 의하여 선회용 전동기(21)가 기계적으로 정지된 상태가 된다.

따라서, 레버(26A)의 조작량이 불감대 영역 내에 있는 동안은, 미캐니컬 브레이크(23)에 의하여 선회용 전동기(21)가 기계적으로 정지되고, 이로써, 상부선회체(3)가 기계적으로 정지된 상태가 된다.

<영 속도지령 영역>

영 속도지령 영역은, 레버(26A)의 조작방향에 있어서의 불감대 영역의 양쪽 외측(조작량이 +10%~20%, -20%~-10%의 범위 내)에 형성되어 있다. 이 영 속도지령 영역은, 불감대 영역에 있어서의 상부선회체(3)의 정지상태와, 좌우 방향의 선회구동영역에 있어서의 선회상태를 전환할 때 조작성을 양호하게 하기 위하여 설정되는 완충영역이다.

조작레버(26A)의 조작량이 이 영 속도지령 영역의 범위 내에 있을 때는, 속도지령 변환부(31)로부터 영 속도지령이 출력되고, 미캐니컬 브레이크(23)는 해제된 상태가 된다.

여기에서, 영 속도지령이란, 상부선회체(3)의 선회속도를 영으로 하기 위하여, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전속도를 영으로 하기 위한 속도지령이며, 후술하는 PI(Proportional Integral) 제어에서는, 회전축(21A)의 회전속도를 영에 가깝게 하기 위한 목표치로서 이용된다.

다만, 미캐니컬 브레이크(23)의 제동(온)/해제(오프)의 전환은, 불감대 영역과 영 속도지령 영역의 경계에 있어서 컨트롤러(30) 내의 선회구동제어장치(40)에 의하여 행하여진다.

따라서, 레버(26A)의 조작량이 영 속도지령 영역 내에 있는 동안은, 미캐니컬 브레이크(23)는 해제되고, 영 속도지령에 의하여, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)은 정지상태로 유지된다. 이로써, 상부선회체(3)는 선회구동되지 않고 정지상태로 유지된다.

<좌방향 선회구동영역>

좌방향 선회구동영역은, 상부선회체(3)를 좌방향으로 선회시키기 위한 속도지령이 속도지령 변환부(31)로부터 출력되는 영역이다.

이 영역 내에서는, 레버(26A)의 조작량에 따라서, 속도지령의 절대치가 증대하도록 설정되어 있다. 이 속도지령에 근거하여 선회구동제어장치(40)에서 구동지령이 연산되고, 이 구동지령에 의하여 선회용 전동기(21)가 구동되며, 이 결과, 상부선회체(3)가 좌방향으로 선회구동된다.

다만, 상부선회체(3)의 선회속도를 어느 일정 이하로 제한하기 위하여, 좌방향 선회구동영역에 있어서의 속도지령치는, 절대치가 소정의 값으로 제한된다.

<우방향 선회구동영역>

우방향 선회구동영역은, 상부선회체(3)를 우방향으로 선회시키기 위한 속도지령이 속도지령 변환부(31)로부터 출력되는 영역이다.

이 영역 내에서는, 레버(26A)의 조작량에 따라서, 속도지령의 절대치가 증대하도록 설정되어 있다. 이 속도지령에 근거하여 선회구동제어장치(40)에서 구동지령이 연산되고, 이 구동지령에 의하여 선회용 전동기(21)가 구동되며, 이 결과, 상부선회체(3)가 우방향으로 선회구동된다.

다만, 좌방향 선회구동영역과 마찬가지로, 우방향 선회구동영역에 있어서의 속도지령치는, 절대치가 소정의 값으로 제한된다.

또한, 도 3에 나타내는 특성은, 상부선회체(3)가 정지하고 있는 상태로부터 선회를 개시할 때의 특성을 나타내고 있고, 선회상태로부터 정지하는 경우는, 레버(26A)의 조작량이 ±10%의 범위 내에 들어가도, 선회용 전동기(21)의 회전속도가 영이 될 때까지는, 영 속도지령에 의한 구동제어를 행하도록 구성되어 있다.

<선회구동제어장치(40)>

도 4는, 실시형태 1의 선회구동제어장치(40)의 구성을 나타내는 제어블록도이다.

선회구동제어장치(40)는, 인버터(20)를 통하여 선회용 전동기(21)의 구동제어를 행하기 위한 제어장치이며, 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 구동지령을 생성하는 구동지령 생성부(50), 및 주제어부(60)를 포함한다.

선회구동제어장치(40)는, 컨트롤러(30)의 내부메모리에 격납되는 구동제어용의 프로그램을 실행함으로써, 레버(26A)의 조작량에 따라서 선회용 전동발전기(21)를 구동제어하기 위한 구동지령을 연산한다.

또한, 선회구동제어장치(40)는, 레버(26A)의 조작량에 따라서, 선회용 전동발전기(21)를 구동제어할 때에, 역행운전과 회생운전의 전환제어를 행함과 함께, 인버터(20)를 통하여 배터리(19)의 충방전제어를 행한다.

구동지령 생성부(50)에는, 레버(26A)의 조작량에 따라서 속도지령 변환부(31)로부터 출력되는 속도지령이 입력되고, 이 구동지령 생성부(50)는 속도지령에 근거하여 구동지령을 생성한다. 구동지령 생성부(50)로부터 출력되는 구동지령은 인버터(20)에 입력되고, 이 인버터(20)에 의하여 선회용 전동기(21)가 PWM 제어신호에 의하여 교류 구동된다.

주제어부(60)는, 선회구동제어장치(40)의 제어처리에 필요한 처리를 행하는 제어부이다. 구체적인 처리내용에 대해서는, 관련 개소에 있어서 그때마다 설명한다.

다만, 선회구동제어장치(40)는, 조작레버(26A)의 조작량에 따라서, 선회용 전동기(21)를 구동제어할 때에, 역행운전과 회생운전의 전환제어를 행함과 함께, 인버터(20)를 통하여 배터리(19)의 충방전제어를 행한다.

<구동지령 생성부(50)>

구동지령 생성부(50)는, 감산기(51), PI(Proportional Integral) 제어부(52), 토크제한부(53), 토크제한부(54), 감산기(55), PI 제어부(56), 전류변환부(57), 및 선회동작 검출부(58)를 포함한다. 이 구동지령 생성부(50)의 감산기(51)에는, 레버(26A)의 조작량에 따른 선회구동용의 속도지령(rad/s)이 입력된다.

감산기(51)는, 레버(26A)의 조작량에 따른 속도지령의 값(이하, 속도지령치)으로부터, 선회동작 검출부(58)에 의하여 검출되는 선회용 전동기(21)의 회전속도(rad/s)를 감산하여 편차를 출력한다. 이 편차는, 후술하는 PI 제어부(52)에 있어서, 선회용 전동기(21)의 회전속도를 속도지령치(목표치)에 가깝게 하기 위한 PI제어에 이용된다.

PI 제어부(52)는, 감산기(51)로부터 입력되는 편차에 근거하여, 선회용 전동기(21)의 회전속도를 속도지령치(목표치)에 가깝게 하도록 (즉, 이 편차를 작게 하도록) PI제어를 행하고, 이를 위하여 필요한 토크전류 지령을 연산한다. 생성된 토크전류 지령은, 토크제한부(53)에 입력된다.

토크제한부(53)는, 레버(26A)의 조작량에 따라서 토크전류 지령의 값(이하, 토크전류 지령치)을 제한하는 처리를 행한다. 이 제한처리는, 레버(26A)의 조작량에 따라서 토크전류 지령치의 허용치가 완만하게 증대되는 제한특성에 근거하여 행하여진다. 이와 같은 토크전류 지령치의 제한은, PI 제어부(52)에 의하여 연산되는 토크전류 지령치가 급격히 증대되면 제어성이 악화되기 때문에, 이를 억제하기 위하여 행하여진다.

다만, 토크제한부(53)의 제한특성은, 주제어부(60)의 내부메모리에 격납되어 있고, 주제어부(60)가 내부메모리 내의 제한특성을 읽어내어 토크제한부(53)에 입력한다.

이 제한특성은, 레버(26A)의 조작량의 증대에 따라서 토크전류 지령치의 허용치(의 절대치)를 완만하게 증대시키는 특성을 가지며, 상부선회체(3)의 좌방향 및 우방향의 양방향을 제한하기 위한 특성을 가지는 것이다. 제한특성을 나타내는 데이터는, 주제어부(60)의 내부메모리에 격납되어 있고, 토크제한부(53)에 의하여 읽어내어진다.

토크제한부(54)는, 토크제한부(53)로부터 입력되는 토크전류 지령에 의하여 발생하는 토크가 선회용 전동기(21)의 최대 허용 토크 값 이하가 되도록, 토크제한부(53)로부터 입력되는 토크전류 지령치를 제한한다. 이 토크전류 지령치의 제한은, 토크제한부(53)와 마찬가지로, 상부선회체(3)의 좌방향 및 우방향의 양방향의 회전에 대하여 행하여진다.

여기에서, 토크제한부(54)에 있어서 토크전류 지령치를 제한하기 위한 허용치의 상한치(우선회용의 최대치) 및 하한치(좌선회용의 최소치)는, 이 토크제한부(54)에 의하여 토크전류 지령치의 제한이 행하여져도, 경사지에서, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 신장되어 상부선회체(3)의 관성모멘트가 큰 상태에 있어서도, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)을 경사면의 상방으로 선회시키기 위한 구동토크를 발생시킬 수 있는 값으로 설정되어 있다.

다만, 토크제한부(54)의 허용치는, 주제어부(60)의 내부메모리에 격납되어 있고, 주제어부(60)가 내부메모리 내의 허용치를 읽어내어 토크제한부(54)에 입력한다. 또한, 이 허용치의 절대치는, 주제어부(60)로부터 입력되는 변경지령에 의하여 변경 가능하고, 통상시는 절대치로 100%로 설정되지만, 선회 개시시에는 0%로 설정된다.

감산기(55)는, 토크제한부(54)로부터 입력되는 토크전류 지령치로부터, 전류변환부(57)의 출력치를 감산하여 얻는 편차를 출력한다. 이 편차는, 후술하는 PI 제어부(56) 및 전류변환부(57)를 포함하는 피드백 루프에 있어서, 전류변환부(57)로부터 출력되는 선회용 전동기(21)의 구동토크를, 토크제한부(54)를 통하여 입력되는 토크전류 지령치(목표치)에 의하여 나타내는 토크에 가깝게 하기 위한 PI제어에 이용된다.

PI 제어부(56)는, 감산기(55)로부터 입력되는 편차에 근거하여, 이 편차를 작게 하도록 PI제어를 행하고, 인버터(20)에 보내는 최종적인 구동지령이 되는 전압지령을 생성한다. 인버터(20)는, PI 제어부(56)로부터 입력되는 토크전류 지령에 근거하여, 선회용 전동기(21)를 PWM 구동한다.

전류변환부(57)는, 선회용 전동기(21)의 모터전류를 검출하고, 이를 토크전류 지령에 상당하는 값으로 변환하여, 감산기(55)에 입력한다.

선회동작 검출부(58)는, 리졸버(22)에 의하여 검출되는 선회용 전동기(21)의 회전위치의 변화(즉 상부선회체(3)의 선회)를 검출함과 함께, 회전위치의 시간적인 변화로부터 선회용 전동기(21)의 회전속도를 미분연산에 의하여 도출한다. 도출된 회전속도를 나타내는 데이터는, 감산기(51) 및 주제어부(60)에 입력된다.

이와 같은 구성의 구동지령 생성부(50)에 있어서, 속도지령 변환부(31)로부터 입력되는 속도지령에 근거하여, 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 토크전류 지령이 생성되고, 상부선회체(3)가 원하는 속도로 선회된다.

도 5는, 실시형태 1의 선회구동제어장치(40)의 주제어부(60)에 의한 선회용 전동발전기(21)의 선회 개시시의 구동제어의 처리순서를 나타내는 도면이다.

주제어부(60)는, 선회구동제어장치(40)의 기동에 의하여 처리를 개시한다.

우선, 주제어부(60)는, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)의 회전속도가 영인지 아닌지를 감시하여, 상부선회체(3)가 선회정지의 상태에 있는지 아닌지를 판정한다(스텝 S10). 회전속도는, 선회동작 검출부(58)로부터 입력된다. 다만, 이 스텝 S10의 처리는, 선회정지가 확인될 때까지 반복 실행된다.

주제어부(60)는, 선회정지의 상태라고 판정하였을 경우에는, 속도지령 변환부(31)로부터 출력되는 속도지령이 영 속도지령인지 아닌지를 판정한다(스텝 S11). 선회가 개시되기 직전은, 레버(26A)의 조작량이 도 3에 나타내는 영 속도지령 영역에 있고, 미캐니컬 브레이크(23)가 해제된 상태에서, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)의 회전속도가 영이 되도록 구동제어가 행하여지기 때문이다. 다만, 이 스텝 S11의 처리는, 영 속도지령의 출력이 확인될 때까지 반복 실행된다.

다음으로, 주제어부(60)는, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 걸리는 토크의 방향(이하, 토크방향)을 판정한다(스텝 S12). 여기에서는, 선회동작 검출부(58)로부터 입력되는 회전속도의 시간변화량으로서 가속도를 연산하고, 이 가속도의 방향을 토크방향으로서 감시한다. 다만, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)과 선회기구(2)는 선회감속기(24)를 통하여 기계적으로 접속되어 있기 때문에, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 있어서의 토크방향은, 선회기구(2)의 선회축의 토크방향과 동일하다.

스텝 S10에서 선회정지(회전속도가 영)라고 판정한 후에 회전축(21a)의 회전속도의 시간변화량(가속도)이 검출되는 경우는, 회전축(21a)에 토크가 걸려 있고, 특히, 선회상태로부터 정지한 직후는, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 선회방향으로 진동하고 있는 경우가 있다. 스텝 S12의 처리에서는, 이 진동의 방향을 회전축(21a)의 회전속도의 시간변화량(가속도)에 근거하여 토크방향으로서 검지한다.

다음으로, 주제어부(60)는, 레버(26A)에 선회하기 위한 조작이 입력되었는지 아닌지를 판정한다(스텝 S13). 이는, 레버(26A)의 조작량이 우방향 선회구동영역, 또는 좌방향 선회구동영역 중 어느 한 영역 내에 들었는지 아닌지를 판정하기 위한 처리이며, 속도지령 변환부(31)로부터 입력되는 속도지령의 값이 영으로부터 플러스 또는 마이너스 중 어느 값으로 변화되었는지를 감시함으로써 행하는 처리이다.

또한, 주제어부(60)는, 이 스텝 S13의 처리에 의하여, 레버(26A)에 입력되는 선회방향이 우선회 또는 좌선회 중 어느 것인지를 검지한다.

다만, 이 스텝 S13의 처리는, 선회를 위한 조작의 입력이 확인될 때까지 반복 실행된다.

주제어부(60)는, 스텝 S12에서 검지한 토크방향과, 스텝 S13에서 검지한 선회방향이 역방향인지 아닌지를 판정한다(스텝 S14). 여기에서, 토크방향은, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)의 선회방향으로의 진동에 의하여 발생하는 토크의 방향이기 때문에, 진동의 주기에 따라서 토크방향도 우선회 방향 또는 좌선회 방향으로 반복 변화한다.

이 때문에, 여기서 말하는 역방향이란, 진동의 주기에 있어서 토크방향이 우선회 방향인 동안에, 레버(26A)에 좌선회의 입력이 행하여지는 것, 혹은, 진동의 주기에 있어서 토크방향이 좌선회 방향인 동안에, 레버(26A)에 우선회의 입력이 행하여지는 것을 말한다.

주제어부(60)는, 스텝 S12에서 검지한 토크방향과, 스텝 S13에서 검지한 선회방향이 역방향이라고 판정하였을 경우에는, 토크제한부(54)의 허용치를 통상치(100%)로 유지한다. 이로써, 선회구동제어장치(40)로부터 인버터(20)에 토크전류 지령이 입력되어, 선회용 전동기(21)가 구동된다.

한편, 주제어부(60)는, 스텝 S12에서 검지한 토크방향과, 스텝 S13에서 검지한 선회방향이 동일방향이라고 판정하였을 경우에는, 토크제한부(54)의 허용치를 영으로 설정한다(스텝 S16). 이로써, 선회구동제어장치(40)로부터 출력되는 토크전류 지령이 영이 되어, 레버(26A)의 조작량이 우방향 선회구동영역, 또는 좌방향 선회구동영역 중 어느 한 영역 내에 들어 있더라도, 선회용 전동기(21)는 구동되지 않고 정지상태로 유지된다.

스텝 S12에서 검지한 토크방향과, 스텝 S13에서 검지한 선회방향이 동일방향인 경우에 선회용 전동기(21)의 구동을 개시하면, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 선회방향에 대하여 지연되는 방향으로 다시 진동하고, 이로써 진동이 증폭되기 (혹은 새로운 진동이 발생하기) 때문에, 부드럽게 선회를 개시할 수 없어서, 승차감이 악화되는 경우가 있기 때문이다.

주제어부(60)는, 스텝 S16의 처리가 끝나면 순서를 스텝 S12으로 진행시킨다. 스텝 S12의 처리에서 토크방향을 다시 검지하고 나서 스텝 S13 및 S14의 처리가 실행됨으로써, 스텝 S12에서 검지한 토크방향과, 스텝 S13에서 검지한 선회방향이 역방향이 될 때까지, 토크제한부(54)의 허용치는 영으로 유지된다.

이상의 처리는 반복하여 행하여지기 때문에, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 있어서의 토크방향과, 레버(26A)에 입력되는 선회방향이 역방향인 상태에 있어서만 선회용 전동기(21)의 구동이 개시된다. 이 때문에, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 선회방향에 대하여 지연되는 방향으로 다시 진동하는 것이 억제되어, 부드럽게 선회를 개시하여, 승차감이 양호해진다.

다만, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 있어서의 토크방향과, 레버(26A)에 입력되는 선회방향이 역방향인 경우는, 동일방향이 될 때까지 선회용 전동기(21)의 구동개시가 늦어져서, 대기하는 것이 되지만, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)의 진동의 주기는, 예컨대, 약 0.5초에서부터 1.5초와 같이 극히 빠르기 때문에, 대기시간은 극히 짧은 시간이면 된다.

도 6은, 실시형태 1의 선회구동제어장치(40)에 의한 선회용 전동발전기(21)의 선회 개시시의 속도지령, 회전속도, 및 구동토크의 특성을 나타내는 도면이며, (a)는 역상인 경우에 선회를 개시하였을 경우의 특성, (b)는 비교를 위하여 동상인 경우에 선회를 개시하였을 경우의 특성을 나타낸다.

도 6(a)에서는, 경과시간 0초의 상태에 있어서, 선회용 전동기(21)의 회전속도가 -60% 속도이어서, 상부선회체(3)는 좌방향으로 선회하고 있다. 또한, 속도지령은 영(영 속도지령)이기 때문에, 구동토크는 우선회 방향의 최대치(200%)로 되어 있다.

경과시간 1초 부근에서 회전속도가 0%에 달하여 선회가 정지되면, 회전속도에 미소한 편차가 발생한다. 이 회전속도의 편차는, 붐(4) 등이 선회방향에 있어서의 좌우로 진동함에 의한 것이라고 생각된다.

경과시간이 2초에 달하기 직전에, 회전속도가 마이너스 값이 된 상태(붐(4) 등이 좌선회 방향으로 흔들린 상태)에서 우선회용의 속도지령이 개시되면, 이에 따라서 정회전 측의 구동토크가 개시되고, 그 결과, 회전속도는 서서히 상승되는 것을 알 수 있다.

한편, 도 6(b)에서는, 경과시간 0초 상태에 있어서, 선회용 전동기(21)의 회전속도가 -60% 속도이어서, 상부선회체(3)는 좌방향으로 선회하고 있다. 또한, 속도지령은 영(영 속도지령)이기 때문에, 구동토크는 우선회 방향의 최대치(200%)로 되어 있다.

경과시간 1초 부근에서 회전속도가 0%에 달하여 선회가 정지됨과 동시에 우선회용의 속도지령이 개시되면, 이에 따라서 정회전 측의 구동토크가 개시되고, 그 결과, 회전속도는 진동하면서 상승되는 것을 알 수 있다.

이는, 회전속도가 플러스의 값으로 흔들린 상태(붐(4) 등이 좌선회로부터의 정지 직후에 우선회 방향으로 흔들린 상태)에서 우선회용의 속도지령이 개시되었기 때문에, 붐(4) 등에 진동이 발생한 것이라고 생각된다.

이상에 의하여, 실시형태 1의 선회구동제어장치(40)에 의하면, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 있어서의 토크방향과, 레버(26A)에 입력되는 선회방향이 역방향인 상태에 있어서만 선회용 전동기(21)의 구동이 개시되기 때문에, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 선회방향에 대하여 지연되는 방향으로 다시 진동하는 것이 억제되어, 부드럽게 선회를 개시하여, 승차감이 양호해진다.

또한, 선회기구(2)의 백래시의 덜컹거림에 의한 충격의 발생을 억제할 수 있는 선회구동제어장치 및 건설기계를 제공할 수 있다. 또한, 선회기구(2)의 백래시의 덜컹거림을 억제할 수 있으므로, 선회기구(2)의 수명 장기화를 도모할 수 있다.

이상에서는, 스텝 S12에서 검지한 토크방향과, 스텝 S13에서 검지한 선회방향이 동일방향이라고 판정하였을 경우에는, 토크제한부(54)의 허용치를 영으로 설정하는 형태에 대하여 설명하였지만, 이 경우의 허용치는 영으로 한정되는 것은 아니고, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)의 회전이 생기지 않을 정도의 토크전류 지령을 허용할 수 있는 정도의 값(예컨대 통상치의 10% 정도의 값)으로 설정하도록 하여도 된다.

이상에서는, 선회용 전동기(21)가 인버터(20)에 의하여 PWM 구동되는 교류모터이고, 그 회전속도를 검출하기 위하여, 리졸버(22) 및 선회동작 검출부(58)를 이용하는 형태에 대하여 설명하였지만, 선회용 전동기(21)는 직류모터이어도 된다. 이 경우는, 인버터(20), 리졸버(22) 및 선회동작 검출부(58)가 불필요하게 되고, 회전속도로서는 직류모터의 타코 제너레이터로 검출되는 값을 이용하면 된다.

또한, 이상에서는, 토크전류 지령의 연산에 PI제어를 이용하는 형태에 대하여 설명하였지만, 이 대신에, 로버스트제어, 적응제어, 비례제어, 적분제어 등을 이용하여도 된다.

또한, 이상에서는, 하이브리드형의 건설기계를 이용하여 설명하였지만, 선회기구가 전동화되어 있는 건설기계라면, 실시형태 1의 선회구동장치의 적용대상은, 하이브리드형으로 한정되는 것은 아니다.

[실시형태 2]

도 7은, 실시형태 2의 선회구동제어장치(40)의 구성을 나타내는 제어블록도이다. 실시형태 1에서는, 선회동작 검출부(58)로부터 입력되는 회전속도의 시간변화량인 가속도를 연산하고, 이 가속도의 방향을 선회기구(2)의 선회축의 토크방향(선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 있어서의 토크방향)으로서 검지하며, 이 토크방향을 이용하여 선회구동제어를 행하는 형태에 대하여 설명하였는데, 실시형태 2의 선회구동제어장치(40)는, PI 제어부(56)로부터 출력되는 토크전류 지령치에 근거하여 토크방향을 판정하여 선회구동제어를 행한다는 점이 실시형태 1과 상이하다. 기타의 구성요소는 실시형태 1과 동일하므로, 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.

즉, 실시형태 2의 선회구동제어장치(40)의 주제어부(60)는, PI 제어부(56)로부터 출력되는 토크전류 지령치에 근거하여 토크방향(선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 있어서의 토크방향)을 검지하고, 도 5에 나타내는 것과 동일한 처리순서를 실행한다.

PI 제어부(56)로부터 출력되는 토크전류 지령치는, 속도지령치와 회전속도(rad/s)의 편차에 근거하여 연산되기 때문에, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 걸리는 토크의 방향을 나타낸다.

이 때문에, 회전속도의 시간변화량으로서 연산되는 가속도의 방향 대신에, PI 제어부(56)로부터 출력되는 토크전류 지령치가 나타내는 토크방향을 이용하여 선회구동제어를 행하여도, 실시형태 1과 마찬가지로 선회구동제어를 행할 수 있다.

이상으로부터, 실시형태 2의 선회구동제어장치(40)에 의하면, PI 제어부(56)로부터 출력되는 토크전류 지령치가 나타내는 토크방향과, 레버(26A)에 입력되는 선회방향이 역방향인 상태에 있어서만 선회용 전동기(21)의 구동이 개시되기 때문에, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 선회방향에 대하여 지연되는 방향으로 다시 진동하는 것이 억제되어, 부드럽게 선회를 개시하여, 승차감이 양호해진다.

도 8은, 실시형태 2의 변형예의 선회구동제어장치(40)의 구성을 나타내는 제어블록도이다.

도 7에는, PI 제어부(56)로부터 출력되는 토크전류 지령치가 나타내는 토크방향을 이용하여 선회구동제어를 행하는 제어블록을 나타냈지만, PI 제어부(56)로부터 출력되는 토크전류 지령치 대신에, PI 제어부(52)로부터 출력되는 토크전류 지령치를 이용하여도 된다.

PI 제어부(52)로부터 출력되는 토크전류 지령치도 속도지령치와 회전속도(rad/s)의 편차에 근거하여 연산되기 때문에, PI 제어부(56)로부터 출력되는 토크전류 지령치와 마찬가지로, 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 걸리는 토크의 방향을 나타낸다.

이 때문에, PI 제어부(56)로부터 출력되는 토크전류 지령치 대신에, PI 제어부(52)로부터 출력되는 토크전류 지령치를 이용하고, 이 토크전류 지령치가 나타내는 토크방향을 이용하여 선회구동제어를 행하여도 된다.

이상으로부터, 실시형태 2의 변형예의 선회구동제어장치(40)에 의하면, PI 제어부(52)로부터 출력되는 토크전류 지령치가 나타내는 토크방향과, 레버(26A)에 입력되는 선회방향이 역방향인 상태에 있어서만 선회용 전동기(21)의 구동이 개시되기 때문에, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 선회방향에 대하여 지연되는 방향으로 다시 진동하는 것이 억제되어, 부드럽게 선회를 개시하여, 승차감이 양호해진다.

[실시형태 3]

도 9는, 실시형태 3의 선회구동제어장치(40)의 구성을 나타내는 제어블록도이다. 실시형태 3의 선회구동제어장치(40)는, 선회방향을 검출하는 수단으로서 가속도계(70)를 구비하고, 주제어부(60)가 가속도계(70)에 의하여 검출되는 가속도에 근거하여 토크방향(선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 있어서의 토크방향)을 검출한다는 점이 실시형태 1과 상이하다. 기타의 구성요소는 실시형태 1과 동일하므로, 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.

실시형태 3의 선회구동제어장치(40)의 주제어부(60)는, 가속도계(70)로부터 입력되는 가속도에 근거하여 선회기구(2)의 선회축의 토크방향(선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 있어서의 토크방향)을 검지하고, 도 5에 나타내는 것과 동일한 처리순서를 실행한다.

이 가속도계(70)로서는, 예컨대, 가속도센서를 이용할 수 있다. 이 가속도센서는, 상부선회체(3)의 내부에 배치하여도 되고, 붐(4), 암(5), 또는 버킷(6)에 장착하여도 된다.

이상으로부터, 실시형태 3의 선회구동제어장치(40)에 의하면, 가속도계(70)에 의하여 검출되는 선회용 전동기(21)의 회전축(21a)에 있어서의 토크방향과, 레버(26A)에 입력되는 선회방향이 역방향인 상태에 있어서만 선회용 전동기(21)의 구동이 개시되기 때문에, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 선회방향에 대하여 지연되는 방향으로 다시 진동하는 것이 억제되어, 부드럽게 선회를 개시하여, 승차감이 양호해진다.

이상, 본 발명의 예시적인 실시형태의 선회구동제어장치 및 이를 이용한 건설기계에 대하여 설명하였지만, 본 발명은, 구체적으로 개시된 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 특허청구의 범위로부터 일탈하지 않고, 여러 가지의 변형이나 변경이 가능하다.

1 하부주행체
1A, 1B 주행기구
2 선회기구
3 상부선회체
4 붐
5 암
6 버킷
7 붐 실린더
8 암 실린더
9 버킷 실린더
10 캐빈
11 엔진
12 전동발전기
13 감속기
14 메인펌프
15 파일럿펌프
16 고압 유압라인
17 컨트롤밸브
18 인버터
19 배터리
20 인버터
21 선회용 전동기
21a 회전축
21A, 21B 릴레이
22 리졸버
23 미캐니컬 브레이크
24 선회감속기
25 파일럿라인
26 조작장치
26A, 26B 레버
26C 페달
27 유압라인
28 유압라인
29 압력센서
30 컨트롤러
31 속도지령 변환부
32 구동제어장치
40 선회구동제어장치
50 구동지령 생성부
51 감산기
52 PI 제어부
53 토크제한부
54 토크제한부
55 감산기
56 PI 제어부
57 전류변환부
58 선회동작 검출부
60 주제어부
70 가속도계

Claims

전동기로 선회구동되는 건설기계의 선회기구를 구동제어하는 선회구동제어장치로서,
건설기계의 조작부를 통하여 입력되는 조작량에 근거하여, 상기 전동기의 회전속도를 제어하기 위한 속도지령을 출력하는 속도지령 출력부와,
상기 선회기구의 회전축에 걸리는 토크의 방향을 검출하는 토크방향 검출부와,
상기 속도지령 출력부로부터 출력되는 속도지령에 근거하여, 상기 전동기를 구동하기 위한 구동지령을 생성하여, 상기 전동기의 구동제어를 행하는 구동제어부
를 포함하고,
상기 구동제어부는, 상기 선회기구의 선회를 개시시킬 때에는, 상기 속도지령 출력부로부터 출력되는 속도지령에 의하여 나타나는 선회방향과, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 역방향인 경우에, 상기 구동지령을 이용하여 상기 전동기의 구동을 개시하는 선회구동제어장치.
청구항 1에 있어서,
상기 구동제어부는, 상기 조작부가 조작된 경우에, 상기 속도지령 출력부로부터 출력되는 속도지령에 의하여 나타나는 선회방향과, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 동일방향인 경우에는, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 상기 선회방향과 역방향이 되고나서, 상기 전동기의 구동을 개시하는 선회구동제어장치.
청구항 2에 있어서,
상기 구동제어부는, 상기 속도지령 출력부로부터 출력되는 속도지령에 의하여 나타나는 선회방향과, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 동일방향인 경우에는, 상기 토크방향 검출부에 의하여 검출되는 토크방향이 상기 선회방향과 역방향이 될 때까지, 상기 구동지령의 값을 절대치로 소정치 이하로 하는 선회구동제어장치.
청구항 3에 있어서,
상기 구동제어부는, 상기 구동지령에 의하여 상기 전동기에서 발생하는 구동토크가 허용치 이하가 되도록 상기 구동지령의 값을 절대치로 제한하는 제한부를 포함하고, 상기 허용치를 절대치로 통상치보다도 저하시킴으로써, 상기 구동지령의 값을 절대치로 소정치 이하로 하는 선회구동제어장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 토크방향 검출부는, 상기 회전속도 검출부에서 검출되는 상기 전동기의 회전속도의 시간변화량을 연산하고, 이 회전속도의 시간변화량으로 나타나는 가속도의 방향을 상기 토크방향으로서 검출하는 선회구동제어장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 토크방향 검출부는, 상기 구동지령 생성부에서 생성되는 구동지령에 의하여 나타나는 가속도의 방향을 상기 토크방향으로서 검출하는 선회구동제어장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 선회기구의 선회에 의하여 발생하는 가속도를 검출하는 가속도계를 포함하고,
상기 토크방향 검출부는, 상기 가속도계에 의하여 검출되는 가속도의 방향에 근거하여 상기 토크방향으로서 검출하는 선회구동제어장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계.