KR101500752B1

KR101500752B1 - 하이브리드 건설기계의 선회제어장치 및 선회제어방법

Info

Publication number: KR101500752B1
Application number: KR1020080133709A
Authority: KR
Inventors: 강병일
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2015-03-09
Also published as: KR20100075093A

Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 건설기계의 선회제어장치는 엔진(10)에 의해 구동되는 펌프(20)와, 전기에너지 저장장치(30)와, 상기 펌프(20)로부터 토출되는 작동유에 의해 구동되며 작업기 조작부(71)(81)로부터 발생한 신호에 따라 구동이 제어되는 적어도 하나의 작업기(70)(80)를 포함하는 하이브리드 건설기계에 적용되는 것으로서, 상기 전기에너지 저장장치(30)에 저장된 전기에너지에 의해 구동되며, 선회 조작부(51)로부터 발생하는 신호에 따라 구동이 제어되는 선회모터(50); 및 상기 선회 조작부(51)의 선회 조작량과 상기 작업기 조작부(71)(81)의 작업 조작량으로부터 상기 선회모터(50)의 구동속도를 산출하고, 산출된 구동속도로 상기 선회모터(50)를 구동시키는 제어부(60)를 포함하며, 상기 제어부(60)는 상기 선회 조작량이 커질수록 상기 선회모터(50)의 구동속도를 상승시키고, 상기 작업 조작량이 커질수록 상기 선회모터(50)의 구동속도를 하강시키는 것을 특징으로 한다.

하이브리드, 전동기, 선회, 선회속도, 단독선회, 복합동작선회

Description

하이브리드 건설기계의 선회제어장치 및 선회제어방법{SWING CONTROL APPARATUS FOR HYBRID CONTRUCTION MACHINERY AND SWING CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 엔진과 발전 가능한 전동기에 의해 펌프가 구동되는 하이브리드 건설기계에 관한 것으로서, 특히 전동식 선회모터를 제어하기 위한 하이브리드 건설기계의 선회제어장치 및 선회제어방법에 관한 것이다.

굴삭기와 같은 유압식 건설기계는 작동유를 토출시키는 펌프가 엔진에 의해 구동되며, 하나의 펌프로부터 토출되는 작동유는 복수의 작업기에 공급된다. 따라서, 각 작업기에 공급되는 작동유의 유량은 복수의 작업기를 동시에 구동시키는 복합작업의 경우와 하나의 작업기만 구동시키는 단일작업의 경우가 다르다. 그 일 예가 도 1a 내지 도 1b에 도시된다.

도 1a는 선회작업만 수행되는 경우를 개략적으로 나타낸 회로도이다. 도 1a를 참조하면, 선회 조작부(1)로부터 발생한 신호압은 선회제어밸브(2)를 도 1a와 같이 변환시키고, 도 1a와 같이 변환된 선회제어밸브(2)는 펌프(P)의 작동유를 선회모터(3)에 공급하게 된다. 이때 선회 조작부(1)의 선회 조작량에 따른 선회속도는 도 1c의 점선과 같이 나타난다.

반면, 도 1b는 선회구동과 암구동을 동시에 이루어지는 복합작업의 경우를 개략적으로 나타낸 회로도이다. 도 1b를 참조하면, 암 조작부(4)와 선회 조작부(1) 각각으로부터 발생한 신호압은 암 제어밸브(5)와 선회제어밸브(2) 각각으로 입력되어 각 제어밸브(2)(5)를 도 1b와 같이 변환시킨다. 그러면, 펌프(P)로부터 토출되는 작동유의 일부는 선회모터(3)에 공급되고 나머지 작동유는 암 실린더(6)에 공급된다. 따라서, 복합작업시에 선회모터(3)에 공급되는 작동유의 유량은 선회모터(3)만 구동하는 경우의 선회모터(3)에 공급되는 유량보다 작다. 이러한 이유로, 선회 조작부(1)의 선회 조작량에 따른 선회속도는 도 1c의 실선으로 나타난다.

도 1c를 참조하면, 선회동작만 이루어지는 경우, 작업자가 선회동작에 집중할 수 있기 때문에 선회속도를 빠르게 하면 작업의 효율을 높일 수 있다. 반면, 다른 작업과 함께 선회동작이 이루어지는 복합동작의 경우, 작업자는 다른 작업과 함께 선회동작을 하기 때문에 선회속도를 빠르게 하면 사고의 위험성이 있을 뿐만 아니라 작업의 효율을 떨어뜨리는 경우가 많다. 이러한 이유로 선회와 다른 작업기의 복합 동작에서의 선회속도는 선회 단독동작에서의 선회속도보다 낮은 것이 바람직하다.

최근에는 하이브리드 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되면서 작업기는 펌프의 작동유에 의해 구동되고 상부 선회체는 전동식 선회모터에 의해 선회구동되는 시스템을 개발하려는 시도가 진행되고 있다. 그러나, 이러한 경우, 유압식 건설기계와 달리 하나의 펌프로부터 토출되는 작동유를 선회모터와 복수의 작업기가 나누어 사용하지 않기 때문에 선회 속도는 복합 작업을 하더라도 선회 단독 작업시와 동일하게 유지된다. 따라서, 복합 작업시 사고의 위험성이 증대될 뿐만 아니라 작업의 효율이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 복합 작업시 선회 단독구동시보다 선회속도를 감소시켜 작업의 효율성을 향상시킬 수 있는 하이브리드 건설기계의 선회제어장치 및 선회제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계의 선회제어장치는 엔진(10)에 의해 구동되는 펌프(20)와, 전기에너지 저장장치(30)와, 상기 펌프(20)로부터 토출되는 작동유에 의해 구동되며 작업기 조작부(71)(81)로부터 발생한 신호에 따라 구동이 제어되는 적어도 하나의 작업기(70)(80)를 포함하는 하이브리드 건설기계에 적용되는 것으로서, 상기 전기에너지 저장장치(30)에 저장된 전기에너지에 의해 구동되며, 선회 조작부(51)로부터 발생하는 신호에 따라 구동이 제어되는 선회모터(50); 및 상기 선회 조작부(51)의 선회 조작량과 상기 작업기 조작부(71)(81)의 작업 조작량으로부터 상기 선회모터(50)의 구동속도를 산출하고, 산출된 구동속도로 상기 선회모터(50)를 구동시키는 제어부(60)를 포함하며, 상기 제어부(60)는 상기 선회 조작량이 커질수록 상기 선회모터(50)의 구동속도를 상승시키고, 상기 작업 조작량이 커질수록 상기 선회모터(50)의 구동속도를 하강시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제어부(60)에는 상기 작업 조작량에 따른 복수의 선회속도패턴(OP)(CP)이 설정되며, 상기 제어부(60)는 상기 작업기 조작 부(71)(81)로부터 입력되는 작업 조작량에 따라 상기 복수의 선회속도패턴(OP)(CP) 중 어느 하나의 선회속도패턴을 선택하고, 선택된 선회속도패턴으로부터 상기 선회 조작량에 대응하는 선회속도를 산출하며, 산출된 선회속도로 상기 선회모터(50)를 구동시킨다.

상기 복수의 선회속도패턴(OP)(CP)은 상기 작업기 조작부(71)(81)의 작업 조작량이 0인 상태에서의 선회 조작량에 따른 선회속도가 설정된 단독선회속도패턴(OP); 및 상기 작업기 조작부(71)(81)의 작업 조작량이 0보다 큰 상태에서의 선회 조작량에 따른 선회속도가 설정된 복수의 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......)을 포함한다.

한편, 전술한 바와 같은 목적은 선회조작부로부터 조작량의 정보를 받는 단계; 작업조작부로부터 조작량의 정보를 받는 단계; 상기 선회조작부의 조작량 정보만을 받는 경우 입력된 단독선회 속도 패턴으로부터 속도를 산출하여 선회모터를 제어하는 단계; 상기 선회조작부의 조작량 정보와 작업조작부로부터 조작량의 정보를 동시에 받는 경우 상기 작업조작부로부터의 조작량이 많아질수록 상기 선회모터의 구동속도를 점점 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지를 이용하여 선회모터를 제어하는 하이브리드 건설기계의 선회제어방법에 의해서도 달성될 수 있다.

전술한 바와 같은 과제 해결 수단에 의하면, 작업 조작량이 커질수록 선회속도를 감소시킴으로써, 선회와 다른 작업기를 동시에 작동시 선회속도를 낮출 수 있 게 되고, 이에 의해 작업의 효율성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 작업의 안전성이 향상될 수 있다.

또한, 작업 조작량에 따라 복수의 선회속도패턴을 설정함으로써, 선회와 다른 작업기의 복합 작업시 더욱 세밀하게 선회속도를 조절할 수 있게 되고, 이에 의해 작업의 효율성 및 안전성이 더욱 향상될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 선회제어장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 선회제어장치는 엔진(10)과, 펌프(20)와, 전기에너지 저장장치(30)와, 상기 전기에너지 저장장치(30)에 저장된 전기 에너지에 의해 구동되어 상기 엔진(10)에 동력을 제공하거나 상기 엔진(10)의 잉여 동력을 발전하여 상기 전기에너지 저장장치(30)에 저장하는 전동기(40)와, 상기 펌프(20)로부터 토출되는 작동유에 의해 구동되는 복수의 작업기(70)(80)를 포함하는 하이브리드 건설기계에 적용되는 것으로서, 선회모터(50) 및 제어부(60)를 포함한다.

상기 엔진(10)은 전동기(40)와 함께 건설기계의 작업장치들을 구동시키기 위한 구동력을 제공하기 위한 것이다. 엔진(10)의 일측은 상기 펌프(20)와 동력 전달 가능하게 연결되어 있으며, 상기 엔진(10)과 상기 펌프(20)의 사이에는 상기 전동기(40)가 동력 전달 가능하게 연결되어 있다. 이러한 엔진(10)에는 회전 속도를 측정할 수 있는 속도감지센서가 마련되며, 속도감지센서에 의해 감지된 엔진(10)의 회전속도에 대한 정보는 제어부(60)로 전송된다.

상기 펌프(20)는 제어부(60)로부터 출력되는 신호에 따라 그 유량이 가변되는 가변 용량형 펌프이다. 이러한 펌프(20)로부터 토출되는 작동유는 복수의 제어밸브(72)(82)에 의해 흐름 방향이 제어되어 각 작업기(70)(80)에 공급된다. 상기 복수의 제어밸브(72)(82)는 작업기 조작부(71)(81)로부터 발생하는 신호압에 따라 변환된다. 상기 작업기 조작부(71)(81)로부터 발생하는 신호압은 작업기 조작부(71)(81)의 조작량(이하, '작업 조작량' 이라 함)에 비례하여 발생한다. 따라서, 작업 조작량이 클수록 상기 각 제어밸브(72)(82)에 가해지는 신호압이 커져서 각 제어밸브(72)(82)의 변환정도가 커지게 되고, 각 작업기(70)(80)에 공급되는 작동유의 유량이 증가하게 된다. 한편, 상기 각 작업기 조작부(71)(81)로부터 발생한 작업 조작량에 대한 신호는 전기적으로 변환되어 제어부(60)에 전송되며, 제어부(60)는 전송된 작업 조작량에 대한 신호를 근거로 상기 선회모터(50)의 선회속도를 결정하게 된다.

상기 전기에너지 저장장치(30)는 상기 엔진(10)의 잉여동력이 전기에너지의 형태로 저장되는 곳으로서, 일반 배터리(battery)나 다수의 캐패시터로 구성되는 슈퍼 캐패시터로 구성될 수 있다. 상기 전기에너지 저장장치(30)는 상기 제어부(60)에 의해 제어되어 상기 전동기(40)에 의해 발전된 에너지가 저장되거나 상기 전동기(40)에 에너지를 공급하여 전동기(40)를 구동시킨다.

상기 전동기(40)는 인가되는 전류에 따라 구동되어 상기 엔진(10)에 동력을 제공(모터링(motoring) 이라고도 함)하는 기능 뿐만 아니라 상기 엔진(10)의 잉여 동력을 발전하는 발전기의 기능도 한다. 모터링 및 발전의 기능을 하는 전동기(40)는 이미 공지된 제품이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 선회모터(50)는 상기 전기에너지 저장장치(30)에 저장된 에너지에 의해 구동되는 전동식으로 구성된다. 따라서, 제어부(60)에 의해 상기 선회모터(50)로 공급되는 전류에 따라 상기 선회모터(50)의 구동속도 및 구동방향이 제어된다.

상기 제어부(60)는 전동기(40) 및 전기에너지 저장장치(30)를 제어하여 상기 엔진(10)에 동력을 제공하거나 상기 엔진(10)의 잉여동력을 상기 전기에너지 저장장치(30)에 저장하는 제어를 한다. 또한, 상기 제어부(60)는 상기 각 조작부(51)(71)(81)로부터 입력된 조작량을 근거로 선회속도패턴을 선택하고 선택된 선호속도패턴으로부터 선회속도를 산출하며, 산출된 선회속도로 상기 선회모터(50)를 구동시킨다.

보다 구체적으로, 상기 제어부(60)는 도 3에 도시된 바와 같이, 단독선회속도패턴(OP)과 복수의 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......)이 저장되어 있다. 여기서 상기 단독선회속도패턴(OP)과 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......)은 선회 조작량과 선회속도의 관계를 설정하는 것으로서, 어떠한 선회속도패턴(OP)(CP)을 선택할지 여부는 작업기 조작부(71)(81)로부터 조작되는 작업 조작량에 따라 결정된다. 여기서, 동일한 선회 조작량에 대해 단독선회속도패턴(OP)의 선회속도는 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......)의 선회속도보다 크다. 선회 구동과 다른 작업기(70)(80)의 구동이 동시에 이루어지는 경우, 선회속도를 감소시켜 작업의 효율성과 안전성을 향상시키기 위한 것이다.

보다 구체적으로 설명하면, 작업기 조작부(71)(81)로부터 발생되는 작업 조작량이 0인 경우, 상기 제어부(60)는 단독선회속도패턴(OP)을 선택한다. 그런 후에 선회 조작부(51)로부터 입력되는 선회 조작량이 입력되면 단독선회속도패턴(OP)으로부터 선회속도를 산출하고 산출된 선회속도로 선회모터(50)를 구동시킨다.

또한, 상기 작업 조작량이 0보다 큰 경우, 그 작업 조작량에 따라 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......) 중 어느 하나를 선택하게 된다. 작업 조작량이 클수록 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......)의 선회속도는 점차 감소하게 된다. 이를 달리 말하면, 다른 작업기(70)(80)를 구동시키기 위해 요구되는 구동속도가 클수록 선회속도가 점차 감소된다.

이하, 도 4를 참조하여, 상기 제어부(60)에 의한 선회제어방법을 보다 상세히 설명한다.

우선, 선회 조작부(51)와 작업기 조작부(71)(81) 각각으로부터 선회 조작량과 작업 조작량이 제어부(60)로 입력된다(S100). 그러면, 제어부(60)는 입력된 선회 조작량과 작업 조작량으로부터 선회단독동작인지 선회복합동작인지를 판단한다(S110). 보다 구체적으로, 제어부(60)는 작업 조작량이 0인 경우, 선회단독동작으로 판단하고, 작업 조작량이 0보다 큰 경우 선회복합동작으로 판단한다.

선회단독동작으로 판단되면, 제어부(60)는 도 3의 단독선회속도패턴(OP)을 선택한다. 그런 후에, 제어부(60)는 단독선회속도패턴(OP)으로부터 입력된 선회 조작량에 대응하는 선회속도를 산출하고(S120), 산출된 선회속도로 선회모터(50)를 구동시킨다(S130).

한편, S110단계에서 작업 조작량이 0보다 큰 경우, 제어부(60)는 선회복합동작으로 판단하고 S140 내지 S160단계를 수행한다. 보다 구체적으로, 제어부(60)는 복수의 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......) 중 작업 조작량에 대응하는 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......)을 선택한다(S140). 여기서, 제어부(60)는 상기 작업 조작량이 클수록 선회속도가 낮은 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......)을 선택하게 된다. 예컨대, 작업 조작량이 0.1인 경우, 도 3의 CP1이 선택되었다면, 작업 조작량이 0.2인 경우, 도 3의 CP2의 복합선회속도패턴이 선택된다.

작업 조작량에 따른 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......)이 선택되면, 제어부(60)는 선택된 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......)으로부터 입력된 선회 조작량에 대응하는 선회속도를 산출하고(S150), 산출된 선회속도로 선회모터(50)를 구동시킨다(S160).

이와 같이, 작업 조작량이 커질수록 선회속도를 감소시킴으로써, 복합 동작시, 기존의 유압식 건설기계와 같이 선회제어의 특성을 가질 수 있게 되고, 이에 의해 작업의 효율성이 향상될 뿐만 아니라 작업의 안전성이 향상될 수 있다.

본 실시예에서는 작업 조작량에 따라 선회속도패턴을 선택하고, 선택된 선회속도패턴에 따라 선회속도를 결정하는 것을 예시하였으나, 본 실시예와 달리, 동일한 선회 조작량에 대해 작업 조작량이 커질수록 선회속도가 감소될 수 있는 한 다양한 제어방법이 이용될 수 있을 것이다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 유압식 건설기계의 유압회로도로서, 선회단독동작과 복합선회동작을 설명하기 위한 도면,

도 1c는 도 1a와 도 1b 각각의 경우에 대한 선회 조작량에 따른 선회속도를 개략적으로 나타낸 그래프,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 선회제어장치를 개략적으로 나타낸 제어 블록도,

도 3은 도 2의 선회제어장치에 의해 제어되는 선회 조작량에 따른 선회속도를 개략적으로 나타낸 그래프,

도 4는 도 2에 도시된 선회제어장치의 제어과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

10; 엔진 20; 펌프

30; 전기에너지 저장장치 50; 선회모터

51; 선회 조작부 60; 제어부

71, 81; 작업기 조작부 OP; 단독선회속도패턴

CP1, CP2, CP3, CP4....; 복합선회속도패턴

Claims

엔진(10)에 의해 구동되는 펌프(20)와, 전기에너지 저장장치(30)와, 상기 펌프(20)로부터 토출되는 작동유에 의해 구동되며 작업기 조작부(71)(81)로부터 발생한 신호에 따라 구동이 제어되는 적어도 하나의 작업기(70)(80)를 포함하는 하이브리드 건설기계의 선회제어장치에 있어서,

상기 전기에너지 저장장치(30)에 저장된 전기에너지에 의해 구동되며, 선회 조작부(51)로부터 발생하는 신호에 따라 구동이 제어되는 선회모터(50); 및

상기 선회 조작부(51)의 선회 조작량과 상기 작업기 조작부(71)(81)의 작업 조작량으로부터 상기 선회모터(50)의 구동속도를 산출하고, 산출된 구동속도로 상기 선회모터(50)를 구동시키는 제어부(60)를 포함하며,

상기 제어부(60)에는 상기 작업 조작량에 따른 복수의 선회속도패턴(OP)(CP)이 설정되고,

상기 제어부(60)는 상기 작업기 조작부(71)(81)로부터 입력되는 작업 조작량에 따라 상기 복수의 선회속도패턴(OP)(CP) 중 어느 하나의 선회속도패턴을 선택하고, 선택된 선회속도패턴으로부터 상기 선회 조작량에 대응하는 선회속도를 산출하며, 산출된 선회속도로 상기 선회모터(50)를 구동시켜 상기 선회 조작량이 커질수록 상기 선회모터(50)의 구동속도를 증가시키고, 상기 작업 조작량이 커질수록 상기 선회모터(50)의 구동속도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 선회제어장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 복수의 선회속도패턴(OP)(CP)은,

상기 작업기 조작부(71)(81)의 작업 조작량이 0인 상태에서의 선회 조작량에 따른 선회속도가 설정된 단독선회속도패턴(OP); 및

상기 작업기 조작부(71)(81)의 작업 조작량이 0보다 큰 상태에서의 선회 조작량에 따른 선회속도가 설정된 복수의 복합선회속도패턴(CP1, CP2, CP3, CP4......)을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 선회제어장치.
작업 조작량에 따른 복수의 선회속도패턴(OP)(CP)이 설정되는 단계;

선회조작부로부터 조작량의 정보를 받는 단계;

작업조작부로부터 조작량의 정보를 받는 단계;

상기 선회조작부의 조작량 정보만을 받는 경우 입력된 단독선회 속도 패턴으로부터 속도를 산출하여 선회모터를 제어하는 단계; 및

상기 선회조작부의 조작량 정보와 작업조작부로부터 조작량의 정보를 동시에 받는 경우, 상기 작업기 조작부(71)(81)로부터 입력되는 작업 조작량에 따라 상기 복수의 선회속도패턴(OP)(CP) 중 어느 하나의 선회속도패턴을 선택하고, 선택된 선회속도패턴으로부터 상기 선회 조작량에 대응하는 선회속도를 산출하며, 상기 작업조작부로부터의 조작량이 많아질수록 상기 선회모터의 구동속도를 산출된 선회속도로 점점 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지를 이용하여 선회모터를 제어하는 하이브리드 건설기계의 선회제어방법.