KR20050000530A - 건설 기계의 회전 구동 장치 - Google Patents

Abstract

회전 시스템을 구동하는 전동기(6)와, 이 전동기(6)의 작동을 지령하는 조작 부재와, 이 조작 부재의 조작 지령에 따라서 전동기(6)를 제어하는 제어기(9)를 구비하여 이루어지는 건설 기계에 있어서, 상기 제어기(9)가 유압식 회전 구동 장치의 이동 특성을 리얼 타임으로 시뮬레이션하는 에뮬레이션 모델(9a)을 갖고, 조작 부재의 조작 지령에 따라서 그 에뮬레이션 모델(9a)로부터 제어 목표치를 연산하여 전동기(6)를 제어함으로써 레버 중간 영역으로 조작한 경우에는 느리게 응답하고, 레버를 급조작한 경우에는 민첩하게 응답하는 바와 같이 한 것을 특징으로 한다.

Description

건설 기계의 회전 구동 장치{ROTATINGLY DRIVING DEVICE OF CONSTRUCTION MACHINERY}

종래, 건설 기계의 액튜에이터로서는 일반적으로 유압 액튜에이터식이 널리 채용되어 있다. 그러나, 이 유압 액튜에이터를 이용한 유압 구동 시스템에서는 유압 펌프로부터 토출되는 압유의 방향과 유량을 제어하는 제어 밸브에서 저항이 발생하고, 또한 배관에서는 압력 손실이 발생하고, 게다가 또한 회로에 잉여 유량이 발생하는 것 등에 의해 에너지 효율이 낮다.

그래서, 에너지 효율을 높이는 방법으로서 전동기를 액튜에이터로서 사용하는 것이 알려져 있다.

예를 들어 일본 특허 공개 제2001-11897호 공보에 기재된「건설 기계의 선회구동 장치」에서는 상부 선회 부재를 선회시키는 선회 모터에 전동기를 사용하고 있다.

그러나, 건설 기계의 액튜에이터로서 전동기를 사용한 경우 에너지 효율이 향상되는 반면, 레버 조작에 대한 액튜에이터의 응답성이 유압 구동 시스템에 비해지나치게 민감해진다.

예를 들어, 레버 중간 영역에 있어서 레버 조작에 의해 속도 변경을 행하면 전동기가 급격히 속도 변화하고, 그 결과 헌팅을 일으키거나 쇼크가 발생한다.

또한, 전동기에 의해 전방 어태치먼트를 구동하고 있는 경우에는 전동기가 급정지하면 그 어태치먼트가 탄성 변형하여 요동이 발생할 우려가 있다. 이와 같이 전동기의 구동에 대해 액튜에이터의 응답성이 지나치게 민감하다면 오히려 유압 구동 방식보다도 조작성이 나빠지는 문제점이 있다.

이와 같은 문제에 대해 공지 기술인 모델 추종 제어를 적용할 수 있다. 이는 목표로 하는 응답성을 얻을 수 있도록, 예를 들어 1차 지연 등의 규범 모델을 이용하여 이 규범 모델의 응답성에 추종하도록 액튜에이터를 제어하는 기술이다.

그런데, 이와 같은 일반적인 모델 추종 제어에서는 규범 모델로서 단순한 1차 지연 등의 선형 모델을 이용하고 있으므로, 레버 조작에 대해 항상 일정한 응답 지연이 나타난다. 그 결과, 급조작에 대해서도 지연이 수반하게 되어 급가속 및 급정지를 행할 수 없게 되는 문제가 남는다.

또한, 이와 같은 간이한 선형 모델에서는 조작자의 기호에 맞추어 조작성을 섬세하고 치밀하게 튜닝할 수도 없다.

본 발명은 이상과 같은 종래의 액튜에이터 구동 장치에 있어서의 과제를 고려하여 이루어진 것으로, 전동기로 회전 시스템을 구동하는 구동 장치에 있어서 레버 중간 영역에서 조작한 경우에는 천천히 응답하고, 레버를 급조작한 경우에는 민첩하게 응답하는 건설 기계의 회전 구동 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전동기로 회전 시스템을 구동하는 건설 기계의 회전 구동 장치에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 회전 구동 장치가 적용되는 유압 쇼벨의 외관도이다.

도2는 본 발명의 회전 구동 장치의 구성을 도시하는 설명도이다.

도3은 본 발명의 제어 흐름을 나타내는 설명도이다.

도4의 (a)는 도3에 도시하는 에뮬레이션 모델의 구성을 도시한 회로도, 도4의 (b)는 상기 모델에 있어서의 각 밸브 특성을 나타낸 도표이다.

도5는 종래의 제어 흐름을 나타내는 설명도이다.

도6은 종래의 제어에 의한 조작 패턴의 일예를 나타내는 그래프이다.

도7은 종래의 제어에 의한 전동기의 속도 응답 파형을 나타내는 그래프이다.

도8은 본 발명의 제어에 의한 전동기의 속도 응답 특성을 나타내는 그래프이다.

도9는 조작 레버에 의한 조작 패턴의 다른 예를 나타내는 그래프이다.

도10은 도9의 조작 패턴에 대한 본 발명의 전동기의 속도 응답 특성을 나타내는 그래프이다.

도11은 본 발명의 다른 제어 흐름을 나타내는 설명도이다.

본 발명은 건설 기계의 회전 시스템을 구동하는 전동기와, 이 전동기의 작동을 지령하는 조작 부재와, 이 조작 부재의 조작 지령에 따라서 상기 전동기를 제어하는 제어기를 구비하여 이루어지는 건설 기계에 있어서, 상기 제어기가 유압식 회전 구동 장치의 이동 특성을 리얼 타임으로 시뮬레이션하는 에뮬레이션 모델을 갖고, 상기 조작 부재의 조작 지령에 따라서 그 에뮬레이션 모델에 의해 제어 목표치를 연산하여 상기 전동기를 제어하도록 구성되어 있는 건설 기계의 회전 구동 장치이다.

본 발명에 따르면, 조작 부재를 조작하면, 제어기는 에뮬레이션 모델을 참조함으로써 유압식 회전 구동 장치의 이동 특성으로서 예를 들어 회전 속도, 구동 토크, 혹은 그 양방을 리얼 타임으로 시뮬레이트하여 제어 목표치를 연산한다. 계속해서 그 제어 목표치를 목표로 하여 전동기를, 예를 들어 속도 제어, 토크 제어 혹은 그 양방으로 제어를 행한다. 그에 의해, 회전 시스템을 전동기로 구동시키는 경우라도 조작 부재의 조작에 대한 응답성을 대략 유압 구동 방식과 동등하게 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 에뮬레이션 모델은 유압 기기로서의 유압 펌프, 유압 액튜에이터, 각종 밸브의 제원(諸元)을 개별적으로 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 제어기에 입력부를 접속하고, 이 입력부를 거쳐서 에뮬레이션 모델 내의 상기 각 제원을 변경할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 그에 의해, 조작자의 기호에 따라서 조작성을 섬세하고 치밀하게 튜닝하는 것이 가능해진다.

본 발명에 있어서, 상기 에뮬레이션 모델은 밸브로서 유량 제어 밸브 또는 압력 제어 밸브의 비선형 특성을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이 비선형 특성을 가짐으로써 레버 중간 영역에서 조작이 행해지면, 적당한 응답 지연을 발생시켜 헌팅이나 요동, 쇼크의 발생이 방지되고, 또한 급조작이 행해지면 응답 지연을 거의 발생시키지 않고 급가속 및 급정지시킬 수 있게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 건설 기계의 동력원으로서는 외부 전원, 내장 배터리, 엔진에 의해 구동되는 발전기, 혹은 캐패시터 중 어느 하나 또는 복수가 선택된다.

본 발명에 있어서, 상기 회전 시스템의 구체예로서는 선회 모터를 구동원으로 하는 선회 시스템, 윈치 모터를 구동원으로 하는 권취 시스템, 주행 모터를 구동원으로 하는 주행 시스템 중 적어도 하나를 가질 수 있다.

이하, 도면에 나타낸 실시 형태를 기초로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명의 액튜에이터 구동 장치가 적용되는 건설 기계로서 유압 쇼벨을 도시한 것이다.

상기 도면에 있어서, 유압 쇼벨은 하부 주행 부재(1) 상에 상부 선회 부재(2)를 탑재하고 있고, 이 상부 선회 부재(2)는 회전축 R.A 주위로 선회할 수 있도록 구성되어 있다.

상부 선회 부재(2)의 전방부에는 전방 어태치먼트(3)가 구비되어 있다. 이 전방 어태치먼트(3)는 붐(3a) 및 그 붐(3a)을 기복 동작시키는 붐 실린더(3b)와, 아암(3c) 및 그 아암(3c)을 회전 동작시키는 아암 실린더(3d)와, 버킷(3e) 및 그 버킷(3e)을 회전 동작시키는 버킷 실린더(3f)로 구성되어 있다.

이 전방 어태치먼트(3)의 기단부 좌측에는 캐빈(4)이 배치되어 있다. 캐빈(4)의 후방에는 도시하지 않은 엔진, 유압 기기, 탱크 등이 배치되고, 기기 커버(5)로 커버되어 있다.

부호 6은 상부 선회 부재(2)를 선회시키기 위한 전동기이고, AC 서보 모터로 구성되어 있다. 또, 전동기(6)는 DC 서보 모터로 구성할 수도 있다. 이 전동기(6)는 상부 선회 부재(2)를 선회시키는 회전 기구(선회 시스템)의 구동원으로서 사용된다.

도2는 상기 유압 쇼벨에 탑재되는 회전 구동 장치의 구성을 도시한 것이다.

전동기(6)의 출력축에는 감속기(7)가 접속되고, 이 감속기(7)의 회전축에 부하 관성(구체적으로는 회전 시스템으로서의 선회 부재, 윈치, 주행 부재 등)(8)이 접속되어 있다.

제어기(9)는 인버터(10a)에 대해 회전수 신호를 부여하도록 되어 있고, 그 인버터(10a)에 의해 전동기(6)가 회전 제어되고, 전동기(6)의 회전수는 인코더(11)에 의해 검출되고, 검출된 회전수는 신호로서 제어기(9)에 피드백된다.

부호 12는 조작자가 전동기(6)의 회전 속도를 조작하기 위한 조작 레버(조작 부재)이다.

또한, 전동기(6)를 구동하기 위한 전력 공급원으로서는 엔진(13)에 의해 구동되는 발전기(13a), 배터리(14), 캐패시터(15) 등을 조합하여 이용하는 것으로 한다. 또, 부호 16a는 교류를 직류로 변환하는 컨버터, 16b 및 16c는 전압을 승압 또는 강압하기 위한 직류-직류 컨버터이다.

또, 본 실시 형태에서는 유압 쇼벨에 발전기(13)를 탑재하여 배터리(14)에축전하는 구성이지만, 이에 한정되지 않고, 외부 전원으로부터 전력의 공급을 받도록 한 것이라도 좋다.

또한, 부호 3b는 붐 실린더로, 전방 어태치먼트(3)의 1 액튜에이터로서 나타낸 것이다.

부호 17은 그 붐 실린더(3b)에 압유를 공급하는 유압 펌프이고, 18은 그 유압 펌프(17)를 구동하기 위한 다른 전동기이다. 19는 붐 실린더(3b)의 속도, 압력을 조정하기 위한 유압 회로이고, 10b는 인버터이다.

또, 상기 붐 실린더(3b)는 유압 회로(19)로부터 공급되는 압유에 의해 구동되는 것이다. 따라서, 이 다른 전동기(18)는 회전 시스템을 구동하는 것이 아니다.

다음에, 상기 제어기(9)에 있어서의 제어 흐름에 대해 도3을 참조하면서 설명한다.

제어기(9)는 조작 레버(12)의 조작량(S)을 받아 그 내부에 저장된 유압 구동 방식 에뮬레이션 모델(9a)을 이용하고, 유압 구동 방식의 경우에 있어서 조작량이 공급된 경우의 액튜에이터 회전 속도(ω_a)의 연산을 행한다.

이 연산된 회전 속도(ω_a)로부터 다음 식을 이용하여 전동기의 속도 목표치(ω_ref)를 구한다.

ω_ref＝ ω_a× N₁/N₂

단, N₁은 전동 기계의 감속비, N₂는 유압계의 감속비이다.

이 ω_ref를 전동기(6)의 속도 목표치로 하고, PID(9b)에 의해 PID 제어를 행하여 인코더(11)로부터 구할 수 있는 회전 속도(ω)와 비교함으로써 속도 피드백 제어를 행한다.

상기, 유압 구동 방식 에뮬레이션 모델의 내용을 도4의 (a)에 나타낸다.

도4의 (a)에 있어서, 에뮬레이션 모델은 유압 펌프(20), 유압 모터(21), 유압 모터(21)의 출력축에 접속된 감속기(22), 감속기(22)의 회전축에 접속된 회전 관성(23), 유압 펌프(20)로부터 토출되는 압유의 유량, 방향을 제어하여 유압 모터(21)에 공급하는 제어 밸브(24), 메인 릴리프 밸브(25), 포트 릴리프 밸브(26a, 26b), 체크 밸브(27a, 27b), 바이패스 밸브(28)로 주로 구성되어 있다. 또, 도면은 유압 모터(21)를 정회전시키는 원리도를 나타내고 있다.

또한, 상기 제어 밸브(24)는 블리드 오프 밸브(B/O)(29), 미터 인 밸브(M/I)(30), 미터 아웃 밸브(M/O)(31)로 구성되어 있다. 또, 부호 32는 탱크를 나타내고 있다.

이 에뮬레이션 모델에서는 도4의 (b)에 도시한 바와 같이 레버 조작량(S)이 커짐에 따라서 블리드 오프 개구[도4의 (b)의 B/O로 나타내는 곡선]가 줄어든다. 이와는 반대로 미터 인 개구[도4의 (b)의 M/I로 나타내는 곡선] 및 미터 아웃 개구(상기 도면의 M/O로 나타내는 곡선)는 개방된다. 이 결과, 유압 모터(21)로 송입되는 압유 유량이 증가한다.

이 에뮬레이션 모델의 지배 방정식을 이하에 나타낸다.

여기서, J_L: 부하의 관성 모멘트, P : 압력, Q : 유량, K : 오일체적 탄성률, V : 배관 내 용적, A : 면적, L : 길이, C_V: 유량 계수, γ : 오일비 중량, λ : 관 마찰 계수, D : 배관 직경, S : 조작 레버량, N : 감속비, q : 유압 모터 용량, c : 체크 밸브, r : 포트 릴리프 밸브, rp : 메인 릴리프 밸브, pi : 배관부, 1 : 상류측, 2 : 하류측이다.

상기 식 중에 있어서, 유압원인 유압 펌프(20)의 제원으로서는 유압 펌프 유량(Q_P)을 수학식 (5) 중에 부여하는 것으로 한다.

액튜에이터의 특성으로서는 유압 모터 용량(q)을 수학식 (2) 중에 부여한다.

또한, 제어 밸브(24)의 특성으로서는 그 제어 밸브(24)를 구성하는 블리드 오프 밸브(29), 미터 인 밸브(30), 미터 아웃 밸브의 각 개구 면적(A_bo, A_mi, A_mo)과, 레버 조작량(S)의 관계를 수학식 (6) 중에 부여한다.

본 실시 형태의 에뮬레이션 모델에서는 이들 지배 방정식을 연립시켜, 예를 들어 Newmark-β법 등의 수치 적분법을 적용함으로써 시각역 응답 연산을 행한다.

다음에, 상기 에뮬레이션 모델의 동작에 대해 도5 내지 도10을 참조하면서설명한다.

도5는 레버 조작량에 대해 맵(9c)에 의해 속도 목표치를 정하고, 속도 피드백 제어를 행하는 종래의 일반적인 제어 방법을 비교예로서 나타낸 것이다.

이 경우, 도6의 조작예에 나타낸 바와 같이 레버 중간 영역에 있어서 계단형으로 레버 조작을 행하면, 도7에 도시한 바와 같이 속도 목표치(ω_ref)는 레버 조작에 대해 급격하게 변화한다.

이로 인해, 전동기(6)의 회전 속도(ω)도 급격하게 변화해 버려 응답성이 과민해진다. 그 결과, 헌팅이나 정지시에 있어서의 요동, 혹은 쇼크가 발생하여 조작성이 악화하게 된다.

이에 대해, 본 실시 형태에 의한 제어 방법에서는 상기 에뮬레이션 모델에 의해 유압식 구동 장치의 이동 특성을 모의하도록 제어를 행하고 있다.

그에 의해, 레버 중간 영역에 있어서 계단 형상으로 레버 조작을 행한 경우, 도8에 도시한 바와 같이 속도 목표치(ω_ref)는 레버 조작에 대해 유압식 구동 장치 특유의 지연 특성을 모의하는 파형을 그린다.

그 결과, 레버 조작에 대해 전동기(6)의 속도 변화가 느려져(그래프의 ω 참조), 헌팅이나 정지시에 있어서의 요동, 쇼크 등이 발생하는 일이 없어 조작성을 개선할 수 있게 된다.

한편, 도9에 도시한 바와 같이 급가속 및 급감속 조작을 행한 경우, 종래의 일차 지연을 이용한 모델 추종 제어에서는 도10에 도시한 바와 같이 레버 중간 영역에서의 조작과 동일하게 응답 지연이 나타난다(L₁참조).

이에 대해, 본 실시 형태에 의한 제어 방법에서는 회로압을 일정하게 유지하는 릴리프 밸브(26a, 26b)[도4의 (a) 참조]를 에뮬레이션 모델에 포함하고 있으므로, 유압 구동 장치와 마찬가지로 최대 토크에서의 가속 및 감속이 행해진다(L₂참조).

이와 같이, 본 실시 형태에 의한 제어 방법에 따르면, 레버 중간 영역에 있어서의 조작에서는 전동기(6)가 느리게 응답하는 한편, 급레버 조작을 행하면 전동기(6)를 민첩하게 응답시킬 수 있게 된다.

또, 상술한 에뮬레이션 모델에서는 목표 회전수(ω_ref)를 인코더(11)로부터 출력되는 회전수(ω)와 비교하였지만, 이에 한정되지 않고, 도11에 도시하는 유압 구동 방식 에뮬레이션 모델(9a')을 이용하여 토크를 비교할 수도 있다.

즉, 레버 조작량이 부여된 경우의 유압 액튜에이터의 구동 토크는,

τ_ref＝ τ_a× N₁/N₂

이 τ_ref를 전동기(6)의 토크 목표치로 하고, PID 제어의 제어측을 이용한 피드백 제어를 행함으로써도 상기 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또, 구체적으로는 토크 목표치(τ_ref)를 전류치로 변환한 전류 목표치(i_ref)를 인버터(10a)로부터 구할 수 있는 전류(i)와 비교하게 된다.

또한, 상기 제어기(9)에 입력부로서의 스위치 또는 터치 패널 등을 접속하여스위치의 절환 조작, 터치 패널 상의 조작, 혹은 소프트를 변경하는 등에 의해 상기 에뮬레이션 모델 내의 예를 들어 제어 밸브(24)의 제원을 적절하게 변경할 수 있도록 구성해도 좋다.

이와 같이 변경이 가능한 구성으로 함으로써 조작자의 기호에 따라서 조작성의 특성을 용이하게 변경할 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 전동기로 회전 시스템을 구동하는 건설 기계에 유용하고, 특히 레버 조작에 대한 액튜에이터의 응답성에 있어서 유압 구동 방식과 동등한 응답성이 요구되는 건설 기계에 적합하다.

Claims (6)

1. 건설 기기의 회전 시스템을 구동하는 전동기와, 이 전동기의 작동을 지령하는 조작 부재와, 이 조작 부재의 조작 지령에 따라서 상기 전동기를 제어하는 제어기를 구비하여 이루어지는 건설 기계에 있어서,

   상기 제어기가 유압식 회전 구동 장치의 이동 특성을 리얼 타임으로 시뮬레이션하는 에뮬레이션 모델을 갖고, 상기 조작 부재의 조작 지령에 따라서 그 에뮬레이션 모델에 의해 제어 목표치를 연산하여 상기 전동기를 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 건설 기계의 회전 구동 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 에뮬레이션 모델은 유압 기기로서의 유압 펌프, 유압 액튜에이터, 각종 밸브의 제원을 개별적으로 갖고 있는 건설 기계의 회전 구동 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제어기에 입력부가 접속되어 있고, 이 입력부를 거쳐서 상기 에뮬레이션 모델 내의 상기 각 제원을 변경할 수 있도록 구성되어 있는 건설 기계의 회전 구동 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 에뮬레이션 모델은 상기 밸브로서 유량 제어 밸브 또는 압력 제어 밸브의 비선형 특성을 갖고 있는 건설 기계의 회전 구동 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 전동기의 동력원으로서 외부 전원, 내장 배터리, 엔진에 의해 구동되는 발전기, 혹은 캐패시터 중 어느 하나 또는 복수가 선택되는 건설 기계의 회전 구동 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 회전 시스템이 선회 모터를 구동원으로 하는 선회 시스템, 윈치 모터를 구동원으로 하는 권취 시스템, 혹은 주행 모터를 구동원으로 하는 주행 시스템 중 적어도 하나를 갖는 건설 기계의 회전 구동 장치.