KR20040111585A

KR20040111585A - 작업 기계의 선회 제어 장치

Info

Publication number: KR20040111585A
Application number: KR10-2004-7017934A
Authority: KR
Inventors: 스가노나오끼; 이노우에고오지; 요시마쯔히데아끼; 우에지마마모루
Original assignee: 코벨코 겐키 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2002-05-09
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-12-31
Also published as: WO2003095751A1; US7067999B2; CN1653234A; CN100374665C; US20050253542A1; KR100674516B1

Abstract

미리 설정한 중립 범위 내에 기계식 브레이크만으로 선회 부재를 정지 보유 지지하는 구간과, 위치 보유 지지 제어만으로 보유 지지하는 구간과, 양자를 동시에 작용시키는 구간을 설정한다. 또한, 위치 보유 지지 제어시에 발생하는 그 순간 보유 지지 토크를 기억시켜 두고, 선회 개시시에 조작량에 따른 가속 토크와, 기억된 그 순간 보유 지지 토크 중 큰 쪽을 가속하기 위한 전동기 토크로서 설정한다. 또한, 버켓을 작업 대상으로 압박하는 압박 작업시에 조작량에 따른 토크 제어를 행하도록 하였다.

Description

작업 기계의 선회 제어 장치{ROTATION CONTROL DEVICE OF WORKING MACHINE}

쇼벨을 예로 들어 종래의 기술을 설명한다.

쇼벨은 통상 선회 구동원으로서 유압 모터를 이용하고, 이 유압 모터를 유압 펌프의 토출유에 의해 구동하는 유압 모터 구동 방식을 취하고 있다.

이 방식을 취하는 경우, 유압 펌프와 유압 모터 사이에 설치된 제어 밸브에 의해 방향, 압력, 유량을 제어하여 유압 모터의 작동 방향, 힘, 속도를 제어하고 있다.

그러나, 이 방식에서는 유압 에너지를 제어 밸브로 막아 버리는 양이 많아 에너지 손실이 커지는 문제가 있었다.

그래서, 선회 구동원으로서 전동기를 이용하는 전동기 구동 방식이 제안되어 있다(예를 들어 일본 특허 공개 평11-93210호 참조).

또한, 클라이밍 크레인이나 광산용 대형 전기 쇼벨에서는 종래부터 선회 동작에 전동기 구동 방식이 채용되어 있다.

이들 전동기 선회 구동 방식에 있어서는, 전동기의 회전 방향과 속도를 바꿈으로써 선회 방향과 선회 속도를 제어하는 것으로 에너지 효율을 크게 개선할 수 있다.

한편, 이 방식을 취하는 경우, 보통은 조작 수단의 조작량에 대응하는 목표 속도와 실제 속도의 편차를 없애는 방향으로 속도를 제어하는 피드백 속도 제어 방식이 이용된다.

그런데, 이 방식에 따르면, 선회의 조작성에 관하여 다음과 같은 문제가 있었다.

조작 수단이 중립 위치에 있고 지령 속도가 0일 때에 제동 토크가 작용하여 선회 부재가 정지하지만, 일단 전동기 회전 속도가 0이 되면 이 속도 0을 유지하는 토크(정지 보유 지지력)는 출력되지 않으므로, 확실한 정지 보유 지지 작용을 얻을 수 없다.

그래서, 정지 보유 지지를 위한 제어 방식으로서, 유압 구동 방식의 작업 기계에 장비되어 있는 메커니컬 브레이크를 채용하는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 기계식 브레이크는 원래 파킹 브레이크로서, 선회 부재 정지 상태에서 작동하는 구조로 되어 있고, 이를 그대로 전동기 구동 선회 방식에 있어서 전동기를 감속 및 정지시키는 수단으로서 이용하면 브레이크의 소모가 심한 동시에, 브레이크 온/오프의 쇼크에 의해 감속 및 가속시의 선회 부재의 움직임이 부드럽지 않아 원활한 선회 정지/가속 작용을 얻을 수 없어 조작성이 나빠지는 문제가 있다.

한편, 상부 선회 부재(2)를 지상에서 선회시키는 통상 작업시에는 피드백 속도 제어 방식에 의해 조작 수단의 조작량에 따른 선회 속도 제어를 행할 수 있으므로 조작상 문제는 없다.

이에 대해, 도14에 도시한 바와 같이 버켓(6)의 측면을 홈(g)의 벽면(g1)에 압박하여 벽면(g1)을 굴착 형성하는 압박 작업시에는 선회축(O) 주위의 선회 속도가 대략 0이 되므로, 피드백 속도 제어에서는 선회 속도의 목표치와 실제치의 편차가 커져 피드백 작용에 의해 약간의 조작량으로도 선회 토크(전동기 토크)가 최대가 된다.

이로 인해, 이와 같은 선회에 의한 압박 작업시에 오퍼레이터에 의한 토크 제어가 불가능해져 조작성이 손상된다.

따라서, 피드백 속도 제어 방식을 취하면서 조작량에 따른 토크 제한을 가하는 것이 바람직하다.

그런데, 이와 같이 토크 제한을 가하면, 조작량이 작을 때는 전동기 토크도 작아지므로, 경사지에서 상승측을 향해 선회를 개시하는 경우나, 강풍 하에서 바람이 불어오는 방향을 향해 선회 개시하는 경우에 가속 토크가 부족하여 선회 부재가 역방향으로 선회해 버리는 소위「역행」이 발생해 안전성 및 조작성이 저하된다는 문제가 있었다.

그래서 본 발명은 이와 같은 문제를 해결하여 선회 조작성을 개선할 수 있는 작업 기계의 선회 제어 장치를 제공하는 것이다.

구체적으로는, 본 발명의 제1 목적은 선회 부재를 정지 상태로 확실하게 보유 지지할 수 있는 동시에, 선회 감속 및 정지 및 가속 작용을 원활하게 행하게 할 수 있고, 게다가 정지 보유 지지를 위한 에너지 손실이 없고, 또한 기존의 기계식브레이크를 그대로 사용할 수 있도록 하는 데 있다.

또한 본 발명의 제2 목적은, 토크 제한을 가하면서 토크 부족에 의한 선회 부재의 역행을 방지하는 데 있다.

본 발명의 제3 목적은, 압박 작업시의 선회 토크 제어를 가능하게 하는 데 있다.

본 발명은 전동기에 의해 선회 부재를 선회 구동하는 쇼벨이나 크레인 등의 작업 기계의 선회 제어 장치에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 장치가 탑재된 쇼벨의 전체 구성과 기기 배치를 도시하는 측면도이다.

도2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 장치의 블럭 구성도이다.

도3은 상기 장치에 의한 레버 조작량/속도 목표치의 특성을 나타내는 도면이다.

도4는 도3의 특성에 있어서의 레버 중립 범위 설정의 상세를 설명하기 위한 도면이다.

도5는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 제어 장치에 의한 조작량과 선회 가속 토크 및 상기 감속 토크의 관계를 나타내는 도면이다.

도6은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 제어 장치의 블럭 구성도이다.

도7은 상기 장치에 의한 속도 피드백 제어의 흐름을 나타내는 도면이다.

도8은 상기 제어에 있어서의 레버 조작량과 속도 목표치의 관계를 나타내는 도면이다.

도9는 상기 장치의 작용을 설명하기 위한 흐름도이다.

도10은 상기 제어에 의한 토크 제어의 흐름을 나타내는 도면이다.

도11은 상기 제어에 있어서의 레버 조작량과 토크 목표치의 관계를 나타내는 도면이다.

도12는 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 제어 장치에 의한 토크 제한 부여 속도 제어의 흐름을 나타내는 도면이다.

도13은 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 제어 장치의 작용을 설명하기 위한 흐름도이다.

도14는 쇼벨의 버켓을 홈의 벽면에 압박한 상태의 정면도이다.

상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 구성을 채용하였다.

본 발명은 선회 부재를 선회 구동하는 전동기와, 선회 지령을 내리는 조작 수단과, 이 조작 수단으로부터의 선회 지령을 기초로 하여 상기 전동기를 제어하는 제어 수단과, 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단과, 기계적 브레이크력을 발생시키는 기계식 브레이크를 구비하고, 상기 제어 수단에는 미리 상기 조작 수단의 조작량이 0인 절대 중립점을 기점으로 하여 소정의 폭을 가한 중립 범위가 설정되는 동시에, 이 중립 범위에 있어서 상기 절대 중립점측에 기계식 브레이크 구간, 반대측에 위치 보유 지지 제어 구간이 각각 설정되고, 제어 수단은 상기 중립 범위에 있어서의 기계식 브레이크 구간에서 상기 기계식 브레이크를 작동시켜 상기 위치 보유 지지 제어 구간에서 위치 보유 지지 제어를 행함으로써 상기 선회 부재를 정지 보유 지지하고, 또한 중립 범위 밖에서 상기 조작 수단의 조작량에 따른 속도 제어를 행하도록 구성된 것이다.

또한 본 발명은 선회 부재를 선회 구동하는 전동기와, 선회 지령을 내리는 조작 수단과, 이 조작 수단으로부터의 선회 지령을 기초로 하여 상기 전동기를 제어하는 제어 수단과, 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단을 구비하고, 상기 제어 수단에 의해 상기 조작 수단의 조작량에 따른 속도 제어를 행하고, 또한 상기 조작량에 따라서 가속 토크의 최대치를 제한하는 작업 기계의 선회 제어 장치에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 조작 수단이 미리 설정된 중립 범위에 있을 때에 상기 선회 부재의 위치 보유 지지 제어를 행하고, 이 때 상기 전동기에 발생하는 토크를 그 순간 보유 지지 토크로서 기억하여, 선회 가속시에 이 기억된 그 순간 보유 지지 토크와 상기 조작 수단의 조작량에 따른 가속 토크 중 큰 쪽을 가속을 위한 전동기 토크로서 설정하도록 구성된 것이다.

또한 본 발명은 선회 부재를 선회 구동하는 전동기와, 선회 지령을 내리는 조작 수단과, 이 조작 수단으로부터의 선회 지령을 기초로 하여 상기 전동기를 제어하는 제어 수단과, 상기 전동기의 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단을 구비하고, 상기 제어 수단에 의해 상기 조작 수단의 조작량에 따른 속도 제어를 행하는 작업 기계의 선회 제어 장치에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 선회 부재의 일부를 작업 대상으로 압박하는 압박 작업시에 상기 속도 제어 대신에 상기 조작 수단의 조작량에 따른 토크 제어를 행하도록 구성된 것이다.

이하의 실시 형태에서는 쇼벨을 적용 대상으로 하여 예로 들고 있지만, 본발명은 쇼벨에 한정되지 않고, 쇼벨을 주요 부재로 하여 구성되는 심공 굴착기나 파쇄기, 거기에 크레인 등 선회식 작업 기계에 널리 적용할 수 있다.

제1 실시 형태(도1 내지 도4 참조)

도1에 쇼벨 전체의 개략 구성과 기기 배치, 도2에 구동 및 제어계의 블럭 구성을 각각 도시하고 있다.

도1에 도시한 바와 같이 크롤러식 하부 주행 부재(1) 상에 상부 선회 부재(2)가 선회 가능하게 탑재되고, 이 상부 선회 부재(2)에 붐(4), 아암(5), 버켓(6), 붐 실린더(7), 아암 실린더(8), 버켓 실린더(9)를 구비한 굴착 어태치먼트(3)가 장착된다.

하부 주행 부재(1)는 좌우의 크롤러(10L, 10R)를 구비하고, 이 양측 크롤러(10L, 10R)가 각각 주행 모터(11L, 11R) 및 감속기(12L, 12R)에 의해 회전 구동되어 주행한다.

상부 선회 부재(2)에는 엔진(13)과, 이 엔진(13)에 의해 구동되는 유압 펌프(14) 및 발전기(15)와, 배터리(16)와, 선회용 전동기(17) 및 선회용 감속 기구(18)가 탑재되어 있다.

도2에 도시한 바와 같이 유압 펌프(14)의 토출유는 붐, 아암, 버켓의 각 실린더(7, 8, 9) 및 좌우의 주행 유압 모터(11L, 11R)에 각각 제어 밸브(19, 20, 21, 22, 23)를 거쳐서 공급되고, 이 제어 밸브(19 내지 23)에 의해 작동이 제어된다.

발전기(15)는 증속 기구(24)를 거쳐서 엔진 구동력이 가해지고, 이 발전기(15)에서 만들어진 전력이 전압 및 전류를 제어하는 제어기(25)를 거쳐서 배터리(16)에 축적되는 동시에, 제어 수단의 일부인 인버터(26)를 거쳐서 선회용 전동기(17)에 가해진다.

선회용 전동기(17)에는 기계적 브레이크력을 발생시키는 네거티브 브레이크로서의 기계식 브레이크(27)가 설치되고, 이 기계식 브레이크(27)가 해제된 상태에서 선회용 전동기(17)의 회전력이 선회용 감속 기구(18) 경유에 의해 상부 선회 부재(2)에 전해져 상부 선회 부재(2)가 좌측 또는 우측으로 선회한다.

부호 28은 선회 조작 수단으로서의 선회 조작부(예를 들어 포텐시오미터)이고, 이 조작부(28)가 레버(28a)에 의해 조작되어 그 조작량에 따른 지령 신호가 제어 수단의 일부인 제어기(29)에 입력된다.

또한, 센서로서 선회용 전동기(17)의 회전 속도(선회 속도)를 검출하는 속도 센서(30)와, 상부 선회 부재(2)의 선회 정지 위치를 0점으로 하여 검출하는 위치 센서(예를 들어 인코더)(31)가 설치되고, 이 양 센서(30, 31)로부터의 신호가 인버터(26) 경유에 의해 제어기(29)에 제어 데이터로서 입력된다.

제어기(29)에는 이미 도3에 도시한 바와 같이 선회 조작부(28)의 조작량(이하, 레버 조작량이라 함)이 0인 절대 중립점(O)을 기점으로 하여 좌우의 선회 방향으로 소정의 폭[예를 들어 조작 레버(28a)의 기울기 각도에서 좌우 각 7.5°]을 갖게 한 중립 범위(N)가 설정되고, 이 중립 범위(N)를 초과하여 레버 조작되었을 때에 도시한 특성을 기초로 하는 속도 제어가 행해지는 동시에, 도4에 도시한 바와 같이 중립 범위(N) 내에서 레버 조작량에 따라서 제어 모드를 절환하도록 구성되어 있다.

즉, 중립 범위(N) 내에는 기계식 브레이크(27)가 브레이크 작용을 발휘하는 기계식 브레이크 구간(B)이 절대 중립점(O)을 포함하는 내측 영역에 설정되는 동시에, 위치 보유 지지 제어[서보 로크 제어, 즉 위치 센서(31)로부터의 신호를 기초로 하여 선회 부재(2)를 그 순간에 보유 지지하기 위한 제어]가 행해지는 위치 보유 지지 제어 구간(A)이 외측 영역에 설정되어 있다.

양 구간(B, A)은 도시한 바와 같이 일부 중복되어 설정되고, 이 중복된 병용 구간(C)에서 기계식 브레이크 작용과 위치 보유 지지 제어 작용이 동시에 행해진다.

도4 중 LnL, LnR은 중립 범위(N)를 구획하는 좌우 양 선회 방향의 중립 식별점, LbL, LbR은 기계식 브레이크 구간(B)의 시종점이 되는 기계식 브레이크 식별점, LzL, LzR은 위치 보유 지지 제어의 시종점이 되는 위치 보유 지지 제어 식별점이다.

선회용 전동기(17)는 이와 같은 설정을 기초로, 제어기(29) 및 인버터(26)에 의해 다음과 같이 제어된다.

선회 가속시

레버 조작량이 도4의 기계식 브레이크 구간(B)에 있을 때에는 기계식 브레이크(27)가 작동하고, 이 기계식 브레이크에만 의해 선회 부재(2)가 정지 상태로 보유 지지된다.

다음에, 레버 조작량이 기계식 브레이크 구간(B)과 위치 보유 지지 제어 구간(A)의 경계 부분인 병용 구간(C)에 도달하면 위치 보유 지지 제어가 작용하고,기계식 브레이크력과 이 위치 보유 지지 제어 작용에 의해 선회 부재(2)가 정지 보유 지지된다.

레버 조작량이 병용 구간(C)을 넘으면, 기계식 브레이크(27)가 해제되어 위치 보유 지지 제어만이 작용하고, 이 위치 보유 지지 제어의 작용에 의해 선회 부재(2)가 그 순간 보유 지지된다.

또한, 레버 조작량이 위치 보유 지지 제어 구간(A)[중립 범위(N)]을 넘으면, 위치 보유 지지 제어도 오프가 되고, 선회용 전동기(17)가 도3에 나타내는 특성을 기초로 하여 속도 제어되면서 회전하여 선회 가속이 행해진다.

이와 같이, 정지 상태에서 기계식 브레이크(27)가 작동하므로 위치 보유 지지 제어로 정지 보유 지지하는 경우와 같이 그 순간 보유 지지를 위한 전류를 항상 선회용 전동기(17)에 흐르게 할 필요가 없어 에너지 절약이 된다.

게다가, 속도 제어와의 경계 부분[위치 보유 지지 제어 구간(A)]에서는 위치 보유 지지 제어가 작용하므로, 기계식 브레이크(27)만으로 정지 보유 지지하는 경우와 같이 선회 가속시에 기계식 브레이크 및 오프에 의한 쇼크가 없어 원활한 가속 작용을 얻을 수 있다.

또한, 위치 보유 지지 제어 작용과 기계식 브레이크(27)의 양방이 동시에 작용하는 병용 구간(C)을 설정하고 있으므로, 가속시에 있어서의 기계식 브레이크 작용으로부터 위치 보유 지지 제어로의 이동 및 다음에 서술하는 감속시에 있어서의 위치 보유 지지 제어로부터 기계식 브레이크 작용으로의 이행을 쇼크 없이 원활하게 행하게 할 수 있다.

선회 감속시

조작 레버(28a)가 중립 범위(N) 밖의 선회 지령 위치로부터 중립 범위(N)로 복귀되어 위치 보유 지지 제어 구간(A)에 들어가면, 감속 및 정지를 위한 제어가 개시된다.

이 때, 속도 센서(30)에 의해 검출되는 실제의 선회 속도가 미리 제어기(29)에 설정된 위치 보유 지지 제어 개시 속도 이하로 떨어지면, 위치 보유 지지 제어가 유효해지고, 전동기(17)에 상기 제어에 의한 제동 토크가 발생한다.

이와 같이, 충분히 감속한 상태에서 위치 보유 지지 제어가 개시되므로, 감속 불충분한 상태에서 위치 보유 지지 제어에 의한 큰 제동 토크가 작용하여 선회용 전동기(17)에 과대 전류가 흐르고, 이에 의해 상기 전동기(17)나 회로에 손상을 주게 될 우려가 없다.

다음에, 레버 조작량이 기계식 브레이크 구간(B)에 들어가고, 또한,

① 검출되는 실제의 선회 속도가 미리 설정된 브레이크 작동 속도 이하가 되는 것,

② 이 브레이크 작동 속도 이하의 상태가 설정 시간 계속된 것

의 조건을 충족시켰을 때에 기계식 브레이크(27)가 작동하여 선회 부재(2)가 정지 보유 지지된다.

반대로 말하면, 레버 조작량이 기계식 브레이크 구간(B)에 있어서도 상기 ① ②의 조건이 정리되지 않을 때에는 도4 중 하부란 중앙에 도시한 바와 같이 기계식 브레이크(27)는 해제된 그대로 위치 보유 지지 제어만이 작용한다.

이와 같이, 선회 감속시에 레버 조작량이 기계식 브레이크 구간(B)에 들어가도 즉시 기계식 브레이크(27)를 작용시키지 않고, 설정 속도 이하(예를 들어 속도 0)의 상태가 계속되었을 때에 비로소 기계식 브레이크(27)를 작용시키므로, 예를 들어 어느 지점에서 굴착하여 토사를 퍼내고, 선회하여 덤프카에 실어 넣는 작업과 같이 선회 → 정지 → 선회를 연속하여 반복하는 작업시에 기계식 브레이크(27)의 소모와 쇼크의 발생을 방지하여 원활한 동작을 얻을 수 있다.

제2 실시 형태(도1, 도2, 도5 참조)

제1 실시 형태에 있어서는, 중립 범위(N) 밖에서는 레버 조작량에 따라서 속도 제어하는 구성을 취한 것에 반해, 제2 실시 형태에서는 중립 범위(N) 밖에서 토크 제한 부여의 속도 제어를 행하는 구성을 취하고 있다.

또, 외관상 구성은 제1 실시 형태와 동일하고, 제어기(29) 및 인버터(26)에 의한 제어 내용만이 다르므로, 여기서는 도1, 도2를 원용하고, 도5를 더하여 제어 내용을 설명한다.

선회 가속시

중립 범위(N) 내에서의 제어는 제1 실시 형태와 동일하고, 레버 조작량이 병용 구간(C)을 넘으면 기계식 브레이크(27)가 해제되어 위치 보유 지지 제어만이 작용하여 이 위치 보유 지지 제어의 작용에 의해 선회 부재(2)가 그 순간 보유 지지된다.

이 때 전동기(17)에 발생한 토크(그 순간 보유 지지 토크)가 인버터(26)를 거쳐서 제어기(29)에 기억된다.

또, 그 순간 보유 지지 토크는 전동기(17)의 최대 토크(Tmax)까지 도달할 가능성이 있고, 도5에서는 그 순간 보유 지지 토크가 이 전동기 최대 토크(Tmax)의 레벨에 도달한 경우를 예시하고 있다.

또한, 레버 조작량이 위치 보유 지지 제어 구간(A)[중립 범위(N)]을 넘으면, 제어기(29)에서 도5에 나타내는 레버 조작량에 따른 가속 토크(가속 토크의 최대치)와, 상기 기억된 그 순간 보유 지지 토크가 비교되어, 이 중 큰 쪽의 토크가 가속을 위한 전동기 토크로서 설정되고, 이 토크에 의해 선회 부재(2)가 선회 구동된다.

즉, 상기 설정된 토크를 최대치로 하는 토크 제한 부여의 피드백 속도 제어에 의해 전동기(17)가 회전한다.

이와 같이, 선회 가속시에 선회 개시 직전까지 실제로 발생하고 있던 그 순간 보유 지지 토크 이상의 토크가 가속을 위한 전동기 토크로서 설정된다. 이로 인해, 경사지에서 상승측을 향해 선회 개시하는 경우나, 강풍 하에서 바람이 불어오는 방향을 향해 선회 개시하는 경우에 선회 부재(2)가 토크 부족에 의해 역방향으로 선회하는「역행」의 발생을 확실히 방지할 수 있다.

선회 감속시

조작 레버(28a)가 도5의 중립 범위(N) 밖의 선회 지령 위치로부터 중립 범위(N)를 향해 복귀되는 감속시에는 도5 중의 제동 토크 특성을 기초로 하여 레버 조작량에 따른 제동 토크를 구할 수 있다. 이 구해진 제동 토크와, 상기한 바와 같이 선회 개시시에 제어기(29)에 기억된 그 순간 보유 지지 토크 중 큰 쪽이 감속을위한 전동기 토크로서 설정되고, 이 설정된 토크에 의해 선회 부재(2)가 감속한다.

이에 의해, 예를 들어 경사지에서 선회 정지하는 경우에도 항상 전동기 토크가 중력과 균형이 맞는 크기가 되므로, 제동 토크가 중력에 끌려 선회 부재(2)가 하강측으로 역행할 우려가 없어진다.

또, 레버 조작량이 도5의 중립 범위(N)로 복귀되어 위치 보유 지지 제어 구간(A)에 들어가면 위치 보유 지지 제어가 개시되고, 또한 기계식 브레이크 구간(B)에 도달하였을 때에 기계식 브레이크(27)가 작동하여 선회 부재(2)가 정지 보유 지지된다.

이 때, 위치 보유 지지 제어가 개시된 것으로 인해 상기 선회 개시시에 기억된 그 순간 보유 지지 토크가 초기치로 변경되고, 다음 기억치의 갱신에 구비한다.

따라서, 선회 정지마다 경사지의 경사도나, 짐의 유무 등에 의한 선회 부재의 중량 등의 조건이 변동해도 그 조건에 따른 그 순간 보유 지지 토크를 새롭게 기억하므로 선회 가속시 및 감속시 선회 부재(2)의 역행을 확실하게 방지할 수 있다.

그런데, 상기 제1 및 제2 양 실시 형태에서는 선회 동력으로서 전기를 이용하여 다른 동작의 동력으로서 유압을 이용하는 소위 병렬 방식을 취하는 쇼벨을 적용 대상으로 하여 예로 들었지만, 본 발명은 모든 액튜에이터의 동력원으로서 전기 동력을 이용하는 소위 시리즈 방식을 취하는 쇼벨에도 적용할 수 있다.

또한, 제2 실시 형태에서는 중립 범위(N) 내에 있어서 위치 보유 지지 제어의 작용과 기계식 브레이크 작용에 의해 선회 부재(2)를 정지 보유 지지하는 경우를 예로 들었지만, 상기한 바와 같이 중립 범위 밖에서 토크 제한 부여 속도 제어를 행하는 발명은 위치 보유 지지 제어에 의해서만 선회 부재(2)를 정지 보유 지지하는 경우에도 적용할 수 있다.

제3 실시 형태(도6 내지 도11 참조)

도6에 제3 실시 형태에 관한 선회 제어 장치의 전체 구성을 나타낸다.

도6에 있어서, 부호 32는 선회 조작 수단으로서의 선회 조작부[예를 들어 포텐시오미터. 도2의 선회 조작부(28)와 동일함]로, 이 선회 조작부(32)가 레버(32a)에 의해 조작되어 그 조작량에 따른 지령 신호가 제어 수단으로서의 제어기(33)에 입력된다.

부호 34는 엔진, 부호 35는 이 엔진(34)에 의해 구동되는 발전기로, 이 발전기(35)로부터의 전력이 발전기용 인버터(36) 및 전동기용 인버터(37)를 거쳐서 선회용 전동기(38)로 이송되고, 이 선회용 전동기(38)의 회전력이 감속기(39)를 거쳐서 상부 선회 부재(2)에 전해져 상부 선회 부재(2)가 선회축 주위로 선회한다.

부호 40은 선회용 전동기(38)의 회전 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단으로서의 인코더로, 이 인코더(40)에 의해 검출된 전동기 회전 속도가 선회 속도의 실제치로서 제어기(33)에 입력된다.

또, 선회용 전동기(38)의 전원으로서, 발전기(35) 외에 배터리(41) 및 캐패시터(42)가 설치되고, 이들 각 전원이 적절하게 선택 또는 조합되어 사용된다. 혹은, 이들 내부 전원 대신에 외부 전원으로부터 전력을 공급하도록 구성해도 좋다. 부호 43은 배터리용 인버터, 부호 44는 캐패시터용 인버터이다.

또한, 굴착 어테치먼트(3)의 각 실린더(7, 8, 9) 등의 유압 액튜에이터를 구동하는 유압 액튜에이터 회로(45)의 유압원으로서 유압 펌프(46)가 설치되고, 이 유압 펌프(46)가 펌프용 전동기(47)에 의해 구동된다. 부호 48은 상기 전동기용 인버터이다.

제어기(33)는 자유 선회시에는 도7에 도시하는 속도 PID 피드백 제어에 의해 선회용 전동기(38)를 속도 제어한다.

즉, 레버 조작량(S)이 조작량 신호로서 제어기(33)에 입력되고, 이 제어기(33)에서 레버 조작량(S)에 따른 선회 속도의 목표치(ωref)가 연산된다.

이 목표치(ωref)와, 인코더(40)에 의해 검출된 선회 속도의 실제치(ωs)가 비교되어 그 편차를 구할 수 있고, PID 피드백 제어에 의해 편차(ωref － ωs)를 0으로 하는 방향의 신호가 전동기용 인버터(37)를 거쳐서 전동기(38)로 이송된다.

이에 의해, 도8에 도시한 바와 같이 상부 선회 부재(2)가 레버 조작량(S)에 따른 속도로 선회한다. 도8 중, Sc는 상부 선회 부재(2)가 움직이기 시작하는 조작 위치이다.

또, 도7에서는 편의상 인코더(40)의 출력을 선회 속도의 실제치(ωs)로서 나타내고 있지만, 실제로는 인코더(40)에 의해 전동기 회전 속도가 검출되고, 이를 감속기(39)의 감속비로 나누어 선회 속도(ωs)를 구할 수 있다.

한편, 도14에 나타내는 압박 작업시에는 토크 제어가 행해진다.

즉, 우선 압박 작업인지 여부를 판단하는 순서로서, 제어기(33)에 있어서 도9에 도시한 바와 같이 제어 주기(b)마다 레버 조작량(S)과 선회 부재가 움직이기시작하는 위치(Sc)가 비교되는(스텝 S1, S2) 동시에, 선회 속도의 실제치(ωs)와, 0에 가까운 미소한 값으로서 미리 설정된 도8에 나타내는 임계치(ωe)가 비교되어(스텝 S3), 레버 조작량(S)이 움직이기 시작하는 위치(Sc)보다도 크고, 또한 선회 속도의 실제치(ωs)가 임계치(ωe)보다도 작을 때(스텝 S2, 스텝 S3에서 모두 예일 때)에 압박 작업이라 판단하여 자동적으로 토크 제어로 자동적으로 절환하고(스텝 S4), 스텝 S5에서 제어 주기(b)가 갱신되어 스텝 S1로 복귀된다. 또, 스텝 S2 또는 스텝 S3에서 아니오(S ＜ Sc 또는 ωs ＞ ωe)인 경우에는 자유 선회로서 도7, 도8의 피드백 속도 제어가 행해진다(스텝 S6).

또, 압박 작업 대상물에 요철이 있는 경우나 연약한 물체의 경우, 선회 속도가 0 이상이 되는 경우가 있고, 상기 압박 작업의 판정이 안정되지 않고 헌팅하는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 속도 제어의 피드백 게인을 내리거나, 혹은 상기 판정의 절환에 타임 러그를 부여하는 등의 헌팅 억제 수단을 마련하는 것이 바람직하다.

토크 제어에 있어서는, 도10, 도11에 도시한 바와 같이 레버 조작량(S)과 토크 목표치(τref)의 관계를 설정한 조작량 － 토크맵(49)으로부터 토크 목표치(τref)를 구할 수 있고, 이것이 전류 목표치(iref)로 환산되어 토크(PID) 피드백 제어가 행해진다.

이리하여, 압박 작업이 자동적으로 판단되어 토크 제어로 절환되고, 이 토크 제어에 의해 도11에 도시한 바와 같이 레버 조작량(S)에 따른 전동기 토크를 얻을 수 있으므로, 압박 토크를 오퍼레이터의 의사(레버 조작량)와 같이 제어하는 것이가능해진다.

그런데, 이 제어 방식에 따르면, 레버 중립으로 선회 속도 0의 상태로부터 레버(32a)를 도11의 움직이기 시작하는 위치(Sc)보다도 조금 깊게 조작한 경우, 선회 부재(2)의 관성에 의해 속도가 0이므로 자유 선회 상태라도 자동적으로 토크 제어가 개시된다.

여기서, 이 장치에 있어서는 도11에 도시한 바와 같이 움직이기 시작하는 위치(Sc)에서의 토크 목표치(τref)가 0보다도 큰 값(τc)으로 설정되어 있다.

이렇게 하면, 움직이기 시작하는 위치(Sc)에서 선회 토크(τc)가 작용하여 상기한 바와 같이 레버(32a)를 움직이기 시작하는 위치(Sc)보다 조금 깊게 조작한 경우에 빠르게 선회 동작이 개시되므로, 속도의 실제치(ωs)가 목표치(ωref)에 신속하게 도달하여 속도 피드백 제어로 절환된다. 이로 인해, 초기 움직임의 속도 제어성을 좋게 할 수 있다.

제4 및 제5 실시 형태(도12, 도13 참조)

제4 및 제5 실시 형태는 제3 실시 형태의 변형 형태이다. 제3 실시 형태와의 차이점만을 설명한다.

제4 실시 형태에 있어서는, 자유 선회시에는 제3 실시 형태와 마찬가지로 도10의 흐름에 의한 속도 피드백 제어가 행해지고, 압박 작업시에는 도12에 도시한 바와 같이 속도 피드백 제어에 미리 설정된 레버 조작량 － 토크 제한치 맵(50)을 기초로 하여 레버 조작량(S)에 따른 토크 제한을 가한 제어(토크 제한 부여 속도 제어)가 행해진다.

도12의 맵(50)의 종축에 나타낸 τlim은 토크 제한치이다.

이와 같이, 압박 작업시에 토크 제한 부여의 속도 제어를 행함으로써, 도10, 도11의 토크 제어의 경우와 마찬가지로 레버 조작량에 따른 전동기 토크를 얻을 수 있으므로, 제3 실시 형태의 경우와 마찬가지로 압박 작업시의 조작성이 좋은 것이 된다.

또, 본 제4 실시 형태 및 다음 제5 실시 형태에 있어서도, 움직이기 시작하는 위치(Sc)에서의 토크 제한치(τlim)를 0보다도 큰 값(τc)으로 설정해 둠으로써, 제3 실시 형태와 마찬가지로 초기 움직임의 속도 제어성을 좋게 할 수 있다.

제5 실시 형태에 있어서는, 도13에 도시한 바와 같이 속도의 실제치(ωs)가 목표치(ωref)보다도 작은 경우에 소위 역행 상태라 판단하고, 이 역행 상태에서 속도 피드백 제어로부터 토크 제한 부여의 속도 피드백 제어로 절환하도록 구성되어 있다.

상세하게 서술하면, 제어 주기(b)마다 속도의 목표치(ωref)와 실제치(ωs)가 비교되어(스텝 S11, 스텝 S12), ωref ≤ ωs일 때에는 통상의 속도 피드백 제어가 행해진다(스텝 S13).

한편, ωref ＞ ωs(스텝 S12에서 예)가 되면, 역행 상태라 판단하여 제4 실시 형태(도12)의 토크 제한 부여 속도 제어로 자동적으로 절환되고(스텝 S14), 스텝 S15에서 제어 주기(b)가 갱신되어 스텝 S11로 복귀된다.

따라서, 역행 상태의 일종인 압박 작업시에 제4 실시 형태와 마찬가지로 토크 제한 작용에 의해 전동기 토크가 제어된다.

또한, 이 제어 방식에 따르면, 자유 선회에 있어서의 가속시에 있어서도 선회 속도의 실제치(ωs)가 목표치(ωref)보다도 작은 상황에서 토크 제한 부여의 속도 제어 작용이 작용하므로, 가속도가 규제되어 가속시의 쇼크가 저감된다.

게다가, 감속시에는 토크 제한이 작용하지 않으므로, 최대 토크에서의 감속이 가능해져 긴급 정지가 가능해진다.

따라서, 이 점에서도 조작성이 좋은 것이 된다.

그런데, 제3, 제4 양 실시 형태에서는 압박 작업을 자동적으로 판단하여 제어 방식을 절환하는 구성을 취하였지만, 압박 작업시에 오페레이터가 절환 스위치를 조작함으로써 제어 방식을 절환하도록 해도 좋다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 선회 정지 상태에서 기계식 브레이크를 작동시켜 선회 부재를 정지 보유 지지하기 위해, 위치 보유 지지 제어로 정지 보유 지지하는 경우와 같이 그 순간 보유 지지를 위한 전류를 항상 전동기에 흐르게 할 필요가 없어 에너지 절약이 된다.

게다가, 속도 제어와의 경계 부분에서는 위치 보유 지지 제어가 작용하므로, 기계식 브레이크만으로 감속/정지시키는 경우와 같이 브레이크가 심하게 소모될 우려가 없는 동시에, 선회 가속 및 감속시에 기계식 브레이크의 온 및 오프의 쇼크가 없고, 원활한 가속 및 감속 작용을 얻을 수 있어 선회 조작성이 좋은 것이 된다.

또한, 중립 범위에서의 위치 보유 지지 제어시에 발생하는 그 순간 보유 지지 토크를 기억시켜 두고, 선회 개시시에 조작 수단의 조작량에 따른 가속 토크와,기억된 그 순간 보유 지지 토크 중 큰 쪽을 가속을 위한 전동기 토크로서 설정하는 구성으로 하였으므로, 경사지에서 상승측을 향하여 선회 개시하는 경우나, 강풍 하에서 바람이 불어오는 방향을 향해 선회 개시하는 경우 등에 선회 부재가 역행할 우려가 없어져 이 점에서 선회 조작성을 개선할 수 있다.

또한, 압박 작업시에 조작 수단의 조작량에 따른 속도 제어 대신에 조작량에 따른 토크 제어를 행하고, 또는 속도 제어에 토크 제한을 가한 제어를 행하기 위해 압박 작업시에 조작 수단의 조작을 통해 오페레이터의 의사 그대로 선회 토크를 제어하는 것이 가능해져 압박 작업시의 조작성을 좋게 할 수 있다.

Claims

선회 부재를 선회 구동하는 전동기와, 선회 부재의 선회 지령을 내리는 조작 수단과, 이 조작 수단으로부터의 선회 지령을 기초로 하여 상기 전동기를 제어하는 제어 수단과, 선회 부재의 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단과, 기계적 브레이크력을 발생시키는 기계식 브레이크를 구비하고, 상기 제어 수단에는 상기 조작 수단의 조작량이 0인 절대 중립점을 기점으로 하여 소정의 폭을 더한 중립 범위가 설정되는 동시에, 이 중립 범위에 있어서 상기 절대 중립점측에 기계식 브레이크 구간, 반대측에 위치 보유 지지 제어 구간이 각각 설정되고, 제어 수단은 상기 중립 범위에 있어서의 기계식 브레이크 구간에서 상기 기계식 브레이크를 작동시켜 상기 위치 보유 지지 제어 구간에서 위치 보유 지지 제어를 행함으로써 상기 선회 부재를 정지 보유 지지하고, 또한 중립 범위 밖에서 상기 조작 수단의 조작량에 따른 속도 제어를 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
제1항에 있어서, 중립 범위에 있어서의 기계식 브레이크 구간과 위치 보유 지지 제어 구간의 일부끼리가 포개어지는 병용 구간이 설정되고, 제어 수단은 이 병용 구간에서 기계식 브레이크와 위치 보유 지지 제어 작용의 양방을 작동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제어 수단은 선회 감속시에 조작 수단의 조작량이 위치 보유 지지 제어 구간에 있고, 또한 선회 속도가 미리 설정된 위치 보유 지지 제어 개시 속도 이하가 되었을 때에 위치 보유 지지 제어를 개시하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 수단은 선회 감속시에 조작 수단의 조작량이 기계식 브레이크 구간에 있고, 또한 선회 속도가 미리 설정된 브레이크 작동 속도 이하가 된 상태가 설정 시간 계속되었을 때에 기계식 브레이크를 작동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
선회 부재를 선회 구동하는 전동기와, 선회 부재의 선회 지령을 내리는 조작 수단과, 이 조작 수단으로부터의 선회 지령을 기초로 하여 상기 전동기를 제어하는 제어 수단과, 선회 부재의 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단을 구비하고, 상기 제어 수단에 의해 상기 조작 수단의 조작량에 따른 속도 제어를 행하고, 또한 상기 조작량에 따라서 가속 토크의 최대치를 제한하는 작업 기계의 선회 제어 장치에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 조작 수단이 미리 설정된 중립 범위에 있을 때에 상기 선회 부재의 위치 보유 지지 제어를 행하고, 이 위치 보유 지지 제어에 의해 상기 전동기에 발생하는 토크를 그 순간 보유 지지 토크로서 기억하고, 선회 가속시에 이 기억된 그 순간 보유 지지 토크와 상기 조작 수단의 조작량에 따른 가속 토크 중 큰 쪽을 가속을 위한 전동기 토크로서 설정하도록 구성된 것을 특징으로하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
제5항에 있어서, 제어 수단은 선회 감속시에 미리 설정한 제동 토크 특성을 기초로 하여 조작 수단의 조작량에 따른 제동 토크를 구하고, 이 제동 토크와, 기억된 그 순간 보유 지지 토크 중 큰 쪽을 감속을 위한 전동기 토크로서 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서, 제어 수단은 조작 수단이 중립 범위로 복귀되어 위치 보유 지지 제어가 작용하였을 때에, 기억된 그 순간 보유 지지 토크를 초기치로 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 기계적 브레이크력을 발생시키는 기계식 브레이크가 설치되고, 제어 수단은 조작 수단이 중립 범위의 일부이며 절대 중립점을 포함하는 기계식 브레이크 구간에 있을 때에 상기 기계식 브레이크를 작용시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
선회 부재를 선회 구동하는 전동기와, 선회 부재의 선회 지령을 내리는 조작 수단과, 이 조작 수단으로부터의 선회 지령을 기초로 하여 상기 전동기를 제어하는 제어 수단과, 선회 부재의 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단을 구비하고, 상기 제어 수단에 의해 상기 조작 수단의 조작량에 따른 속도 제어를 행하는 작업기계의 선회 제어 장치에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 선회 부재의 일부를 작업 대상으로 압박하는 압박 작업시에 상기 속도 제어 대신에 상기 조작 수단의 조작량에 따른 토크 제어를 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
선회 부재를 선회 구동하는 전동기와, 선회 부재의 선회 지령을 내리는 조작 수단과, 이 조작 수단으로부터의 선회 지령을 기초로 하여 상기 전동기를 제어하는 제어 수단과, 선회 부재의 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단을 구비하고, 상기 제어 수단에 의해 상기 조작 수단의 조작량에 따른 속도 제어를 행하는 작업 기계의 선회 제어 장치에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 선회 부재의 일부를 작업 대상으로 압박하는 압박 작업시에 상기 속도 제어에 조작 수단의 조작량에 따른 토크 제한을 가한 제어를 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서, 제어 수단은 조작 수단의 조작량이 선회 부재가 움직이기 시작하는 위치보다도 큰 상태에서 선회 속도의 실제치가 0 또는 이에 가까운 설정치 이하일 때에 압박 작업 상태라 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.
선회 부재를 선회 구동하는 전동기와, 선회 부재의 선회 지령을 내리는 조작수단과, 이 조작 수단으로부터의 선회 지령을 기초로 하여 상기 전동기를 제어하는 제어 수단과, 선회 부재의 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단을 구비하고, 상기 제어 수단에 의해 상기 조작 수단의 조작량에 따른 속도 제어를 행하는 작업 기계의 선회 제어 장치에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 선회 속도의 실제치가 상기 조작 수단의 조작량에 따른 목표치보다도 작을 때에 상기 속도 제어에 토크 제한을 가한 제어를 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 제어 장치.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 조작 수단이 선회 부재가 움직이기 시작하는 위치에 있는 상태에서 목표가 되는 토크가 0보다도 큰 값이 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 작업 기계의 선회 제어 장치.