KR20100072259A

KR20100072259A - 선회구동제어장치 및 이것을 포함하는 건설기계

Info

Publication number: KR20100072259A
Application number: KR1020107008294A
Authority: KR
Inventors: 히로소 쇼노; 노리유키 니시야마; 기미노리 사노
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤; 스미토모 겐키 가부시키가이샤
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-06-30
Also published as: JPWO2009051247A1; EP2208829A4; KR101317631B1; WO2009051247A1; JP5653041B2; CN102124166A; EP2208829A1; CN102124166B; US20100222970A1; US8473165B2

Abstract

전동기로 선회구동되는 건설기계의 선회기구를 구동제어하는 선회구동제어장치로서, 건설기계의 조작부를 통하여 입력되는 조작량에 기초하여, 상기 전동기를 구동하기 위한 구동지령을 생성하는 구동지령 생성부와, 상기 선회기구의 선회동작을 검출하는 선회동작 검출부와, 상기 조작부에 입력되는 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작이 상기 선회동작 검출부에 의해 검출되면, 상기 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작의 정도에 따라 상기 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작을 줄이도록 상기 구동지령을 보정하는 구동지령 보정부를 포함한다.

Description

선회구동제어장치 및 이것을 포함하는 건설기계{Turning drive control device, and construction machine having the device}

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

종래부터 구동기구의 일부를 전동화한 건설기계가 제안되어 있다. 이러한 건설기계에서는 상부 선회체를 선회시키기 위한 선회기구의 동력원으로서 전동기를 구비하고, 이 전동기의 역행운전으로 선회기구를 가속(구동)함과 함께, 선회기구를 감속(제동)할 때 회생운전을 행하여, 발전되는 전력을 배터리에 충전하고 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조). 또 이 특허문헌 1에 기재된 건설기계는 선회기구 이외의 구동기구를 유압으로 구동하기 위해 유압펌프를 구비하는데, 이 유압펌프를 구동하기 위한 엔진에 증속기를 개재하여 발전기를 접속하고, 발전으로 얻는 전력을 배터리의 충전과 선회기구의 전동기의 구동에 이용하고 있다.

일본 특허공개공보 평2004-036303호

그런데 선회기구에 의해 회전되는 상부 선회체에는 캐빈이나 엔진 외에 붐 및 암 등의 작업기구가 탑재된다. 이 작업기구는 자중이 크기 때문에 붐 또는 암이 신장되어 있는 상태와 수축되어 있는 상태에서는 상부 선회체의 관성 모멘트는 크게 다르며, 붐 또는 암이 신장되어 있는 상태일 때 관성 모멘트는 커진다. 또한 암 선단의 버킷에 토사 등을 적재하고 있는 상태에서는 관성 모멘트가 더욱 커진다.

이와 같이 관성 모멘트가 커지면, 상부 선회체의 회전중심과 무게중심이 크게 어긋나므로 선회기구의 전동기를 구동하기 위해 보다 많은 구동 토크가 필요하다.

이 때문에 관성 모멘트를 고려하지 않은 특허문헌 1에 기재된 발명에서는, 경사지에서 작업기구가 경사면을 오르는 방향으로 운전자가 선회조작을 행하는 경우, 관성 모멘트가 큰 상태에서는 적절한 구동지령을 생성하는 것이 곤란해지고 선회기구의 전동기의 구동 토크가 부족하여 경사에 의한 회전 토크를 웃돌 수 없게 되어, 운전자가 선회조작하는 방향과는 반대방향으로 선회하는 경우가 있었다.

그래서 본 발명은 경사지에서도 안정적으로 선회동작을 할 수 있는 선회구동제어장치 및 이것을 포함하는 건설기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 한 국면의 선회구동제어장치는, 전동기로 선회구동되는 건설기계의 선회기구를 구동제어하는 선회구동제어장치로서, 건설기계의 조작부를 통하여 입력되는 조작량에 기초하여, 상기 전동기를 구동하기 위한 구동지령을 생성하는 구동지령 생성부와, 상기 선회기구의 선회동작을 검출하는 선회동작 검출부와, 상기 조작부에 입력되는 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작이 상기 선회동작 검출부에 의해 검출되면, 당해 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작의 정도에 따라 상기 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작을 줄이도록 상기 구동지령을 보정하는 구동지령 보정부를 포함한다.

또한 상기 구동지령 보정부는, 상기 전동기의 회전속도를 영으로 하기 위한 영속도 지령과 상기 선회동작 검출부에 의해 검출되는 상기 역방향의 선회동작의 정도에 기초하여 상기 구동지령을 보정해도 된다.

또한 상기 구동지령 보정부는, 상기 영속도 지령의 값과 상기 선회동작 검출부에 의해 검출되는 선회동작의 정도를 나타내는 값에 기초하여 보정용 구동지령의 값을 연산하고, 당해 보정용 구동지령의 값을 상기 구동지령 생성부에 의해 생성되는 구동지령의 값에 가산하도록 구성되어 있고, 상기 선회동작 검출부에 의해 검출되는 선회동작의 방향이 상기 선회조작 방향과 역방향인 경우에는 상기 보정용 구동지령의 값을 상기 구동지령 생성부에 의해 생성되는 구동지령의 값에 가산하고, 상기 선회동작 검출부에 의해 검출되는 선회동작의 방향이 상기 선회조작 방향과 동일 방향인 경우에는 상기 구동지령의 값에 가산하는 상기 보정용 구동지령의 값을 영으로 해도 된다.

또한 상기 보정용 구동지령의 값을 연산하기 위한 상기 구동지령 보정부의 제1 제어 게인은 상기 구동지령을 생성하기 위한 상기 구동지령 생성부의 제2 제어 게인보다 크게 설정되어도 된다.

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

본 발명에 의하면, 경사지에서도 안정적으로 선회동작을 할 수 있는 선회구동제어장치 및 이것을 포함하는 건설기계를 제공할 수 있다고 하는 특유의 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 실시의 형태의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계를 나타내는 측면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 건설기계가 경사각θ의 경사지에 있는 상태를 나타내는 도이다.
도 3은 본 실시의 형태의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 실시의 형태의 건설기계의 속도지령 변환부에 있어서 조작 레버의 조작량을 속도지령으로 변환하는 변환특성을 나타내는 도이다.
도 5는 본 실시의 형태의 선회구동제어장치의 구성을 나타내는 제어블록도이다.
도 6은 본 실시의 형태의 선회구동제어장치에서의 토크전류지령 수정부의 입출력 특성을 나타내는 도이며, (a)는 좌선회용의 수정특성, (b)는 우선회용의 수정특성을 나타낸다.

이하, 본 발명의 선회구동제어장치 및 이것을 포함하는 건설기계를 적용한 실시의 형태에 대해 설명한다.

도 1은 본 실시의 형태의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계를 나타내는 측면도이다.

이 건설기계의 하부 주행체(1)에는 선회기구(2)를 개재하여 상부 선회체(3)가 탑재되어 있다. 또 상부 선회체(3)에는 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)과, 이것들을 유압구동하기 위한 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)와 함께 캐빈(10) 및 동력원이 탑재된다. 여기서 도 1에 나타내는 바와 같이 건설기계가 평탄지에 있는 경우에는 선회기구(2)의 선회축은 연직축(l1)과 동일 방향이 된다.

도 2는 도 1에 나타내는 건설기계가 경사각θ의 경사지에 있는 상태를 나타내는 도이다. 경사지에서는 선회기구(2)의 선회축(l2)은 연직축(l1)에 대해 각도θ만큼 기울어진다. 이 때문에 종래의 하이브리드형 건설기계에서는, 평탄지에 있는 경우와 달리 이미 과제로 설명한 바와 같이 구동 토크가 부족하면 운전자가 조작하여 상부 선회체(3)를 선회시키려고 하는 방향과는 반대 방향으로 선회할 우려가 있다.

[전체구성]

도 3은 본 실시의 형태의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계의 구성을 나타내는 블록도이다. 이 도 3에서는 기계적 동력계를 이중선, 고압 유압 라인을 실선, 파일럿 라인을 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. 또 이 감속기(13)의 출력축에는 메인 펌프(14) 및 파일럿 펌프(15)가 접속되어 있다. 메인 펌프(14)에는 고압 유압 라인(16)을 통하여 컨트롤 밸브(17)가 접속되어 있다.

컨트롤 밸브(17)는 본 실시의 형태의 건설기계에서의 유압계를 제어하는 제어장치이며, 이 컨트롤 밸브(17)에는 하부 주행체(1)용의 유압 모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)가 고압 유압 라인을 통하여 접속된다.

또 전동발전기(12)에는 인버터(18)를 개재하여 축전장치로서의 배터리(19)가 접속되어 있고, 배터리(19)에는 인버터(20)를 개재하여 선회용 전동기(21)가 접속되어 있다.

선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는 리졸버(22), 메카니컬 브레이크(23) 및 선회 감속기(24)가 접속된다. 또 파일럿 펌프(15)에는 파일럿 라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다.

조작장치(26)에는 유압 라인(27 및 28)을 통하여 컨트롤 밸브(17) 및 레버조작 검출부로서의 압력 센서(29)가 각각 접속된다. 이 압력 센서(29)에는 본 실시의 형태의 건설기계의 전기계의 구동제어를 하는 컨트롤러(30)가 접속되어 있다.

이러한 본 실시의 형태의 건설기계는 엔진(11), 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 동력원으로 하는 하이브리드형 건설기계이다. 이들 동력원은 도 1에 나타내는 상부 선회체(3)에 탑재된다. 이하, 각 부에 대해 설명한다.

[각 부의 구성]

엔진(11)은 예를 들어 디젤 엔진으로 구성되는 내연기관이며, 그 출력축은 감속기(13)의 일방의 입력축에 접속된다. 이 엔진(11)은 건설기계의 운전 중에는 항상 운전된다.

전동발전기(12)는 전동(어시스트)운전 및 발전운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 된다. 여기에서는 전동발전기(12)로서 인버터(20)에 의해 교류 구동되는 전동발전기를 나타낸다. 이 전동발전기(12)는 예를 들어 자석이 로터 내부에 매립된 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 입력축 각각에는 엔진(11)의 구동축과 전동발전기(12)의 구동축이 접속된다. 또한 출력축에는 메인 펌프(14)의 구동축이 접속된다. 엔진(11)의 부하가 큰 경우에는 전동발전기(12)가 전동(어시스트)을 하고, 전동발전기(12)의 구동력이 감속기(13)의 출력축을 거쳐 메인 펌프(14)에 전달된다. 이것에 의해 엔진(11)의 구동이 어시스트된다. 한편 엔진(11)의 부하가 작은 경우에는 엔진(11)의 구동력이 감속기(13)를 거쳐 전동발전기(12)에 전달되는 것에 의해 전동발전기(12)가 발전운전에 의한 발전을 한다. 전동발전기(12)의 전동운전과 발전운전의 전환은 컨트롤러(30)에 의해 엔진(11)의 부하 등에 따라 행해진다.

메인 펌프(14)는 컨트롤 밸브(17)에 공급하기 위한 유압을 발생시키는 펌프이다. 이 유압은 컨트롤 밸브(17)를 통하여 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)의 각각을 구동하기 위해 공급된다.

파일럿 펌프(15)는 유압조작계에 필요한 파일럿압을 발생시키는 펌프이다. 이 유압조작계의 구성에 대해서는 후술한다.

컨트롤 밸브(17)는 고압 유압 라인을 통하여 접속되는 하부 주행체(1)용 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)의 각각에 공급하는 유압을 운전자의 조작 입력에 따라 제어하는 것에 의해 이들을 유압구동제어하는 유압제어장치이다.

인버터(18)는 전동발전기(12)와 배터리(19) 사이에 설치되며, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 기초하여 전동발전기(12)를 운전 제어한다. 이것에 의해 인버터(18)가 전동발전기(12)를 전동운전하고 있을 때에는 필요한 전력을 배터리(19)로부터 전동발전기(12)에 공급한다. 또한 전동발전기(12)를 발전운전하고 있을 때에는 전동발전기(12)에 의해 발전된 전력을 배터리(19)에 충전한다.

배터리(19)는 인버터(18)와 인버터(20) 사이에 배치되어 있다. 이것에 의해 전동발전기(12)와 선회용 전동기(21) 중 적어도 어느 일방이 전동운전 또는 역행(力行)운전을 하고 있을 때에는 전동운전 또는 역행운전에 필요한 전력을 공급함과 함께, 또한 적어도 어느 일방이 발전운전 또는 회생운전을 하고 있을 때에는 발전운전 또는 회생운전에 의해 발생한 회생전력을 전기 에너지로서 축적하기 위한 전원이다.

인버터(20)는 선회용 전동기(21)와 배터리(19) 사이에 형성되며, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 기초하여 선회용 전동기(21)에 대해 운전 제어한다. 이것에 의해 인버터가 선회용 전동기(21)를 역행운전하고 있을 때에는 필요한 전력을 배터리(19)로부터 선회용 전동기(21)에 공급한다. 또한 선회용 전동기(21)가 회생운전을 하고 있을 때에는 선회용 전동기(21)에 의해 발전된 전력을 배터리(19)에 충전한다.

선회용 전동기(21)는 역행운전 및 회생운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 되고, 상부 선회체(3)의 선회기구(2)를 구동하기 위해 형성되어 있다. 역행운전시에는 선회용 전동기(21)의 회전구동력의 회전력이 감속기(24)에서 증폭되며, 상부 선회체(3)가 가감속 제어되고 회전운동한다. 또한 상부 선회체(3)의 관성 회전에 의해 감속기(24)에서 회전수가 증가되어 선회용 전동기(21)에 전달되어, 회생전력을 발생시킬 수 있다. 여기에서는 선회용 전동기(21)로서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호에 의해 인버터(20)에 의해 교류 구동되는 전동기를 나타낸다. 이 선회용 전동기(21)는 예를 들어 자석매립형 IPM 모터로 구성할 수 있다. 이것에 의해 보다 큰 유도 기전력을 발생시킬 수 있으므로, 회생시에 선회용 전동기(21)로 발전되는 전력을 증대시킬 수 있다.

또한 배터리(19)의 충방전 제어는 배터리(19)의 충전 상태, 전동발전기(12)의 운전상태(전동운전 또는 발전운전), 선회용 전동기(21)의 운전상태(역행운전 또는 회생운전)에 기초하여 컨트롤러(30)에 의해 행해진다.

리졸버(22)는 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전위치 및 회전 각도를 검출하는 센서이며, 선회용 전동기(21)와 기계적으로 연결함으로써 선회용 전동기(21)의 회전 전의 회전축(21A)의 회전위치와 좌회전 또는 우회전한 후의 회전위치의 차를 검출함으로써 회전축(21A)의 회전 각도 및 회전 방향을 검출하도록 구성되어 있다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전 각도를 검출하는 것에 의해 선회기구(2)의 회전 각도 및 회전 방향이 도출된다.

메카니컬 브레이크(23)는 기계적인 제동력을 발생시키는 제동장치이며, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)을 기계적으로 정지시킨다. 이 메카니컬 브레이크(23)는 전자식 스위치에 의해 제동/해제가 전환된다. 이 전환은 컨트롤러(30)에 의해 행해진다.

선회 감속기(24)는 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전속도를 감속하여 선회기구(2)에 기계적으로 전달하는 감속기이다. 이것에 의해, 역행운전시에는 선회용 전동기(21)의 회전력을 증력시켜 보다 큰 회전력으로서 선회체에 전달할 수 있다. 이와는 반대로 회생운전시에는 선회체에서 발생한 회전수를 증가시켜 보다 많은 회전동작을 선회용 전동기(21)에 발생시킬 수 있다.

선회기구(2)는 선회용 전동기(21)의 메카니컬 브레이크(23)가 해제된 상태로 선회 가능해지며, 이것에 의해 상부 선회체(3)가 좌방향 또는 우방향으로 선회된다.

조작장치(26)는 선회용 전동기(21), 하부 주행체(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, 상부 선회체(3)의 운전석 근방에 설치된다. 레버(26B)는 붐(4) 및 버킷(6)을 조작하기 위한 레버이며, 운전석 근방에 설치된다. 또한 페달(26C)은 하부 주행체(1)를 조작하기 위한 한 쌍의 페달이며, 운전석의 발 밑에 설치된다.

이 조작장치(26)는 파일럿 라인(25)을 통해 공급되는 유압(1차측의 유압)을 운전자의 조작량에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작장치(26)로부터 출력되는 2차측의 유압은 유압 라인(27)을 통해 컨트롤 밸브(17)에 공급됨과 함께 압력 센서(29)에 의해 검출된다.

레버(26A 및 26B)와 페달(26C) 각각이 조작되면, 유압 라인(27)을 통해 컨트롤 밸브(17)가 구동되고, 이것에 의해 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9) 내의 유압이 제어되는 것에 의해 하부 주행체(1), 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 구동된다.

또한 유압 라인(27)은 유압 모터(1A 및 1B)를 조작하기 위해 1개씩(즉 합계 2개), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)를 각각 조작하기 위해 2개씩(즉 합계 6개) 형성되기 때문에 실제로는 전부 8개 있지만, 설명의 편의상 1개로 모아서 나타낸다.

레버조작 검출부로서의 압력 센서(29)에서는 레버(26A)의 조작에 의한 유압 라인(28) 내의 유압의 변화가 압력 센서(29)로 검출된다. 압력 센서(29)는 유압 라인(28) 내의 유압을 나타내는 전기신호를 출력한다. 이 전기신호는 컨트롤러(30)에 입력된다. 이것에 의해 레버(26A)의 조작량을 적확하게 파악할 수 있다. 또 본 실시의 형태에서는 레버조작 검출부로서의 압력 센서를 이용했지만, 레버(26A)의 조작량을 그대로 전기신호로 판독하는 센서를 이용해도 된다.

[컨트롤러(30)]

컨트롤러(30)는 본 실시의 형태의 건설기계를 구동제어하는 제어장치이며, 속도지령 변환부(31), 구동제어장치(32) 및 선회구동제어장치(40)를 포함한다. 이 컨트롤러(30)는 CPU(Central Processing Unit) 및 내부 메모리를 포함한 연산처리장치로 구성되며, 속도지령 변환부(31), 구동제어장치(32) 및 선회구동제어장치(40)는 컨트롤러(30)의 CPU가 내부 메모리에 저장되는 구동제어용 프로그램을 실행하는 것에 의해 실현되는 장치이다.

속도지령 변환부(31)는 압력 센서(29)로부터 입력되는 신호를 속도지령으로 변환하는 연산처리부이다. 이것에 의해 레버(26A)의 조작량은 선회용 전동기(21)를 회전구동시키기 위한 속도지령(rad/s)으로 변환된다. 이 속도지령은 구동제어장치(32) 및 선회구동제어장치(40)에 입력된다. 또한 이 속도지령 변환부(31)에서 이용하는 변환특성에 대해서는 도 4를 이용하여 설명한다.

여기서, 본 명세서 및 특허청구의 범위에서는 운전자가 조작장치(26)의 레버(26A)를 중립점에서 조작하여 상부 선회체(3)를 선회시키고자 하는 방향(즉, 조작장치(26)에 입력되는 선회 방향)을 "선회조작 방향"이라고 부른다.

구동제어장치(32)는 전동발전기(12)의 운전 제어(전동운전 또는 발전운전의 전환) 및 배터리(19)의 충방전 제어를 행하기 위한 제어장치이다. 이 구동제어장치(32)는 엔진(11)의 부하 상태와 배터리(19)의 충전 상태에 따라 전동발전기(12)의 전동운전과 발전운전을 전환한다. 구동제어장치(32)는 전동발전기(12)의 전동운전과 발전운전을 전환하는 것에 의해 인버터(18)를 개재하여 배터리(19)를 충방전 제어한다.

[조작량/속도지령의 변환특성]

도 4는 본 실시의 형태의 건설기계의 속도지령 변환부(31)에 있어서 조작 레버(26A)의 조작량을 속도지령(상부 선회체(3)를 선회시키기 위해 선회용 전동기(21)를 회전시키기 위한 속도지령)으로 변환하는 변환특성을 나타내는 도면이다. 이 변환특성은 조작 레버(26A)의 조작량에 따라 불감대 영역, 영속도 지령 영역(좌선회용 및 우선회용), 좌방향 선회구동 영역, 및 우방향 선회구동 영역의 5개의 영역으로 구분된다.

여기서 본 실시의 형태의 건설기계의 제어계에서는 좌선회를 나타내는 값을 정의 값으로 나타내고, 우선회를 나타내는 값을 부의 값으로 나타내는 것으로 한다. 이 때문에 상부 선회체(3)를 좌방향으로 선회시키기 위한 속도지령의 값이 정이 되고, 우방향으로 선회시키기 위한 속도지령의 값이 부가 된다.

[불감대 영역]

이 변환특성에 나타내는 바와 같이, 불감대 영역은 레버(26A)의 중립점 부근에 형성되어 있다. 이 불감대 영역에서는 속도지령 변환부(31)로부터 속도지령은 출력되지 않고, 선회구동제어장치(40)에 의한 선회용 전동기(21)의 구동제어는 행해지지 않는다. 또한 불감대 영역에서는 메카니컬 브레이크(23)에 의해 선회용 전동기(21)가 기계적으로 정지된 상태가 된다.

따라서 레버(26A)의 조작량이 불감대 영역 내에 있는 동안에는 메카니컬 브레이크(23)에 의해 선회용 전동기(21)가 기계적으로 정지되고, 이것에 의해 상부 선회체(3)가 기계적으로 정지된 상태가 된다.

[영속도 지령 영역]

영속도 지령 영역은 레버(26A)의 조작 방향에서의 불감대 영역의 양 외측에 형성되어 있다. 이 영속도 지령 영역은 불감대 영역에서의 상부 선회체(3)의 정지 상태와, 좌우 방향의 선회구동 영역에서의 선회 상태를 전환할 때 조작성을 양호하게 하기 위해 형성되는 완충 영역이다.

조작 레버(26A)의 조작량이 이 영속도 지령 영역의 범위 내에 있을 때에는 속도지령 변환부(31)로부터 영속도 지령이 출력되고, 메카니컬 브레이크(23)는 해제된 상태가 된다.

여기서, 영속도 지령이란 상부 선회체(3)의 선회 속도를 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 접근시키기 위한 목표치로서 이용된다.

또한 메카니컬 브레이크(23)의 제동(온)/해제(오프)의 전환은 불감대 영역과 영속도 지령 영역의 경계에서 컨트롤러(30) 내의 선회구동제어장치(40)에 의해 행해진다.

따라서 평탄지에서는 레버(26A)의 조작량이 영속도 지령 영역 내에 있는 동안에는 메카니컬 브레이크(23)는 해제되고, 영속도 지령에 의해 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)은 정지상태로 유지된다. 이것에 의해 평탄지에서는 상부 선회체(3)는 선회구동되지 않고 정지상태로 유지된다.

[좌방향 선회구동 영역]

좌방향 선회구동 영역은 상부 선회체(3)를 좌방향으로 선회시키기 위한 속도지령이 속도지령 변환부(31)에서 출력되는 영역이다.

이 영역 내에서는 레버(26A)의 조작량에 따라 속도지령의 절대치가 증대하도록 설정되어 있다. 구체적으로는, 도 3에 있어서 속도지령이 (+)의 방향으로 증대한다. 평탄지에서는 이 속도지령에 기초하여 선회구동제어장치(40)에서 구동지령이 연산되고, 이 구동지령에 의해 선회용 전동기(21)가 구동되며, 그 결과, 상부 선회체(3)가 좌방향으로 선회구동된다. 또한 도 4 중 속도지령의 절대치는 레버(26A)의 조작량이 일정한 범위를 넘으면 일정치로 되고 있지만, 이것은 선회 속도를 미리 정해진 값 이하로 제한하기 위해 속도지령치의 절대치를 제한하고 있는 것을 나타내고 있다.

또한 상부 선회체(3)의 선회 속도를 어느 일정 이하로 제한하기 위해, 좌방향 선회구동 영역에서의 속도지령치는 절대치가 소정의 값으로 제한된다.

[우방향 선회구동 영역]

우방향 선회구동 영역은 상부 선회체(3)를 우방향으로 선회시키기 위한 속도지령이 속도지령 변환부(31)에서 출력되는 영역이다.

이 영역 내에서는 레버(26A)의 조작량에 따라 속도지령의 절대치가 증대하도록 설정되어 있다. 구체적으로는, 도 3에 있어서 속도지령이 (-)의 방향으로 증대한다. 평탄지에서는 이 속도지령에 기초하여 선회구동제어장치(40)에서 구동지령이 연산되고, 이 구동지령에 의해 선회용 전동기(21)가 구동되며, 그 결과, 상부 선회체(3)가 우방향으로 선회구동된다.

또한 좌방향 선회구동 영역과 마찬가지로, 우방향 선회구동 영역에서의 속도지령치는 절대치가 소정의 값으로 제한된다.

[선회구동제어장치(40)]

도 5는 본 실시의 형태의 선회구동제어장치(40)의 구성을 나타내는 제어블록도이다.

선회구동제어장치(40)는 인버터(20)를 개재하여 선회용 전동기(21)의 구동제어를 하기 위한 제어장치이며, 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 구동지령을 생성하는 구동지령 생성부(50), 구동지령을 보정하는 구동지령 보정부(60) 및 제어부(70)를 포함한다.

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

구동지령 보정부(60)는 선회용 전동기(21)의 구동제어시에, 운전자에 의해 지정되는 선회조작 방향과 상부 선회체(3)의 선회 방향이 다른 경우에는 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 구동지령을 보정한다.

제어부(70)는 선회구동제어장치(40)의 제어 처리에 필요한 주변 처리를 하는 제어부이다. 구체적인 처리 내용에 대해서는 관련 개소에서 그 때마다 설명한다.

[구동지령 생성부(50)]

구동지령 생성부(50)는 감산기(51), PI 제어부(52), 토크 제한부(53), 토크 제한부(54), 감산기(55), PI 제어부(56), 전류 변환부(57) 및 선회동작 검출부(58)를 포함한다. 이 구동지령 생성부(50)의 감산기(51)에는 레버(26A)의 조작량에 따른 선회구동용 속도지령(rad/s)이 입력된다.

감산기(51)는 레버(26A)의 조작량에 따른 속도지령의 값(이하, 속도지령치)에서 선회동작 검출부(58)에 의해 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 접근시키기 위한 PI 제어에 이용된다.

PI 제어부(52)는 감산기(51)로부터 입력되는 편차에 기초하여 선회용 전동기(21)의 회전속도를 속도지령치(목표치)에 접근시키도록(즉, 이 편차를 작게 하도록) PI 제어를 하고, 그러기 위해 필요한 토크전류지령을 연산한다. 생성된 토크전류지령은 토크 제한부(53)에 입력된다.

토크 제한부(53)는 레버(26A)의 조작량에 따라 토크전류지령의 값(이하, 토크전류지령치)을 제한하는 처리를 한다. 이 제한 처리는 레버(26A)의 조작량에 따라 토크전류지령치가 완만하게 증대하도록 토크전류지령치를 제한하는 제한특성에 기초하여 행해진다. 이러한 토크전류지령치의 제한은 PI 제어부(52)에 의해 연산되는 토크전류지령치가 급격하게 증대하면 제어성이 악화되기 때문에, 이것을 억제하기 위해 행해진다.

이 제한특성은 레버(26A) 조작량의 증대에 수반하여 토크전류지령치를 완만하게 증대시키는 특성을 가지며, 상부 선회체(3)의 좌방향 및 우방향의 양방향을 제한하기 위한 특성을 가지는 것이다. 제한특성을 나타내는 데이터는 제어부(70)의 내부 메모리에 저장되어 있으며, 토크 제한부(53)에 의해 판독된다.

토크 제한부(54)는 후술하는 가산기(68)에서 입력되는 토크전류지령에 의해 발생하는 토크가 선회용 전동기(21)의 허용 최대토크값 이하가 되도록 가산기(68)에서 입력되는 토크전류지령치를 제한한다. 이 토크전류지령치의 제한은 토크 제한부(53)와 마찬가지로 상부 선회체(3)의 좌방향 및 우방향의 양방향 회전에 대해 행해진다.

여기서 토크 제한부(54)에서 토크전류지령치를 제한하기 위한 상한치(좌선회용 최대치) 및 하한치(우선회용 최소치)는, 이 토크 제한부(54)에 의해 토크전류지령치가 제한되어도, 경사지에서 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 신장되어 상부 선회체(3)의 관성 모멘트가 큰 상태에 있어서도 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)을 경사면의 상방으로 선회시키기 위한 구동 토크를 발생시킬 수 있는 값으로 설정되어 있다. 또한 토크전류지령치를 제한하기 위한 특성을 나타내는 데이터는 제어부(70)의 내부 메모리에 저장되어 있으며, 토크 제한부(54)에 의해 판독된다.

감산기(55)는 토크 제한부(54)로부터 입력되는 토크전류지령치로부터 전류 변환부(57)의 출력치를 감산해 얻는 편차를 출력한다. 이 편차는 후술하는 PI 제어부(56) 및 전류 변환부(57)를 포함한 피드백 루프에 있어서, 전류 변환부(57)로부터 출력되는 선회용 전동기(21)의 구동 토크를, 토크 제한부(54)를 통하여 입력되는 토크전류지령치(목표치)에 의해 표시되는 토크에 접근시키기 위한 PI 제어에 이용된다.

PI 제어부(56)는 감산기(55)로부터 입력되는 편차에 기초하여, 이 편차를 작게 하도록 PI 제어를 하고, 인버터(20)에 보내는 최종적인 구동지령이 되는 토크전류지령을 생성한다. 인버터(20)는 PI 제어부(56)로부터 입력되는 토크전류지령에 기초하여 선회용 전동기(21)를 PWM 구동한다.

전류 변환부(57)는 선회용 전동기(21)의 모터 전류를 검출하고, 이것을 토크전류지령에 상당하는 값으로 변환하여 감산기(55)에 입력한다.

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

이러한 구성의 구동지령 생성부(50)에 있어서, 속도지령 변환부(31)로부터 입력되는 속도지령에 기초하여 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 토크전류지령이 생성되고, 평탄지에서는 상부 선회체(3)가 원하는 위치까지 선회된다. 이러한 선회동작은 평탄지에서는 유압구동의 건설기계와 동일한 조작 수법에 의해 동일한 동작이 실현된다.

그런데 상기 서술한 바와 같이 건설기계가 경사지에 있는 경우에는 관성 모멘트가 크면 상부 선회체(3)가 선회할 가능성이 있다.

그러나 본 실시의 형태의 선회구동제어장치에서는 구동지령 보정부(60)에 의해 토크전류지령을 보정하기 때문에, 이러한 선회조작 방향과는 역방향의 선회를 줄일 수 있다. 이하, 구동지령 보정부(60)에 대해 설명한다.

[구동지령 보정부(60)]

구동지령 보정부(60)는 보정용 영속도 지령 생성부(61), 감산기(62), PI 제어부(63), 릴레이(64), 토크전류지령 수정부(65), 릴레이(66), 토크전류지령 수정부(67) 및 가산기(68)를 포함하고, 상기 서술한 바와 같은 조작장치(26)에 입력되는 선회조작 방향과는 역방향의 선회가 생긴 경우에 이것을 줄이기 위해 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 토크전류지령을 보정하는 연산처리부이다.

보정용 영속도 지령 생성부(61)는 보정용의 영속도 지령(rad/s)을 출력한다. 이 보정용의 영속도 지령은 구동지령 생성부(50)에서 연산되는 토크전류지령이 부족한 경우에, 이 토크전류지령을 보정하기 위한 보정용의 토크전류지령(이하, 보정용 토크전류지령)을 생성하기 위한 속도지령이다. 보정용 영속도 지령 생성부(61)는 레버(26A)의 조작량이 영속도 지령 영역, 좌방향 선회구동 영역 및 우방향 선회구동 영역에 있는 동안에는 항상 보정용의 영속도 지령을 출력한다.

감산기(62)는 보정용 영속도 지령 생성부(61)로부터 입력되는 보정용의 영속도 지령의 값(이하, 보정용 영속도 지령치)으로부터 회전속도의 값(이하, 회전속도치)을 감산한다. 감산에 의해 얻어지는 편차는 PI 제어부(63)에 입력된다.

PI 제어부(63)는 감산기(62)로부터 입력되는 편차에 기초하여, 이 편차를 작게 하도록(즉, 보정용 영속도 지령 생성부(61)로부터 입력되는 보정용 영속도 지령치를 목표치로 하여 회전속도를 영에 접근시키도록) PI 제어를 하고, 구동지령 생성부(50)에 의해 생성되는 토크전류지령치를 보정하기 위한 보정용 토크전류지령치를 생성한다.

여기서 PI 제어부(63)의 제어 게인은 PI 제어부(52)의 제어 게인에 비해 크게 설정된다. PI 제어부(52)는 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 토크전류지령치를 생성하는 구동지령 생성부(50)에 포함되기 때문에, 제어 게인(비례 게인 및/또는 적분 게인)을 너무 크게 하면 오버슛의 원인이 될 가능성이 있으므로 바람직하지 않다.

그러나 PI 제어부(63)는 구동지령 생성부(50)에 보내기 위한 보정용 토크전류지령치를 연산하기 때문에, 제어 게인(비례 게인 및/또는 적분 게인)을 크게 해도 오버슛의 원인이 되기는 어려워, 역방향의 선회동작을 신속하게 억제할 수 있다. 이 때문에, 예를 들어 PI 제어부(52)에 대해 PI 제어부(63)의 비례 게인을 4배 정도로, 또한 적분 게인을 10배 정도로 설정해도 된다.

릴레이(64)는 조작 레버(26A)에 의해 좌선회가 지정된 경우에 폐쇄되고, 이것에 의해 토크전류지령 수정부(65)가 선택된다. 이 릴레이(64)의 개폐 제어는 제어부(70)에 의해 행해진다.

토크전류지령 수정부(65)는 선회조작 방향(좌선회)과 상부 선회체(3)의 회전 방향이 동일한지 다른지에 기초하여, 필요에 따라 PI 제어부(63)로부터 보내지는 보정용 토크전류지령치를 수정하는 수정 처리를 한다. 이 수정 처리에서는 도 6에 나타내는 특성을 이용한다. 또한 상부 선회체(3)의 회전 방향은 선회용 전동기(21)의 회전 방향으로부터 얻을 수 있다.

도 6은 본 실시의 형태의 선회구동제어장치에서의 토크전류지령 수정부(65 및 67)의 입출력 특성을 나타내는 도면이며, (a)는 좌선회용의 수정특성, (b)는 우선회용의 수정특성을 나타낸다.

여기서 도 6(a) 및 (b)의 가로축은 PI 제어부(63)로부터 릴레이(64 및 66)를 개재하여 토크전류지령 수정부(65 및 67)에 입력되는 보정용 토크전류지령치의 값을 나타낸다. 이 입력치(보정용 토크전류지령치)는 감산기(62)에서 보정용 영속도 지령치로부터 회전속도치를 감산해 얻어지는 편차에 기초하여 PI 제어부(63)에서 연산되기 때문에, 상부 선회체(3)가 좌방향으로 선회되고 있는 경우에 부의 값을 취한다. 이것은 좌선회를 나타내는 회전속도는 정의 값이지만, 감산기(62)에서 보정용 영속도 지령치로부터 감산되어 부호가 반전되어 부의 값이 되고, 또한 PI 제어부(63)에서 우방향으로의 구동 토크를 발생시키기 위해 부의 값을 가지는 보정용 토크전류지령치를 생성하기 때문이다.

마찬가지로 토크전류지령 수정부(65 및 67)의 입력치는 상부 선회체(3)가 우방향으로 선회하고 있는 경우에 정의 값을 취한다. 이것은 우선회를 나타내는 회전속도는 부의 값이지만, 감산기(62)에서 보정용 영속도 지령치로부터 감산되어 부호가 반전되어 정의 값이 되고, 또한 PI 제어부(63)에서 좌방향으로의 구동 토크를 발생시키기 위해 정의 값을 가지는 보정용 토크전류지령치를 생성하기 때문이다.

이 때문에, 도 6(a) 및 (b)에서는 토크전류지령 수정부(65 및 67)의 입력치를 나타내는 가로축이 부인 경우가 상부 선회체(3)의 좌방향의 선회에 대응하고, 가로축이 정인 경우가 상부 선회체(3)의 우방향의 선회에 대응한다.

또한 도 6(a), (b)의 세로축은 토크전류지령 수정부(65 및 67)로부터 출력되는 수정 후의 보정용 토크전류지령치를 나타내고, 도 4와 마찬가지로 상부 선회체(3)를 좌선회방향으로 선회시키기 위한 보정용 토크전류지령치를 정의 값으로 나타내고, 우선회방향으로 선회시키기 위한 보정용 토크전류지령치를 부의 값으로 나타낸다.

또한 도 6(a) 및 (b)의 특성을 나타내는 데이터는 제어부(70)의 내부 메모리에 저장되어 있고, 토크전류지령 수정부(65 및 67)에 의해 판독된다.

도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 좌선회용의 수정특성은 상부 선회체(3)가 좌방향으로 선회하고 있을 때에는 (수정특성의 세로축에서 좌측의 영역에서는) 출력치가 영이 되는 특성을 가진다. 또한 상부 선회체(3)가 우방향으로 선회하고 있을 때에는 (수정특성의 세로축에서 우측의 영역에서는) 입출력치의 비(출력치/입력치)가 "1"이 되는 특성을 가진다.

레버(26A)에 의해 좌방향의 선회조작이 이루어지고 있을 때, 상부 선회체(3)가 좌방향으로 선회하고 있을 때에는 구동지령 생성부(50)의 내부에서 생성되는 토크전류지령만으로 충분하고, 보정용 토크전류지령치는 불필요하다.

이 때문에, 토크전류지령 수정부(65)에서 이용하는 입출력 특성은, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이 입력치가 (좌선회를 나타내는) 부의 값인 경우에는 PI 제어부(63)로부터 입력되는 보정용 토크전류지령치를 영으로 하는 특성으로 되어 있다. 토크전류지령 수정부(65)는 이 특성을 이용하여, 선회조작 방향(좌선회)과 상부 선회체(3)의 회전 방향이 동일한 경우에는 PI 제어부(63)에서 연산되는 보정용 토크전류지령을 영으로 수정한다.

한편, 레버(26A)에 의해 좌방향의 선회조작이 이루어지고 있을 때, 상부 선회체(3)가 우방향으로 역선회하고 있을 때에는 구동지령 생성부(50)의 내부에서 생성되는 토크전류지령만으로는 불충분하기 때문에, 우방향(역방향)으로의 선회동작을 줄이기 위해, PI 제어부(63)에서 연산되는 보정용 토크전류지령을 구동지령 생성부(50)에 보낼 필요가 있다.

이 때문에, 토크전류지령 수정부(65)에서 이용하는 입출력 특성은, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이 입력치가 (우선회를 나타내는) 정의 값인 경우에는 보정용 토크전류지령치를 출력하기 위해 입력치에 대한 출력치의 비(출력치/입력치)가 "1"인 특성으로 되어 있다. 이것에 의해 PI 제어부(63)로부터 입력되는 보정용 토크전류지령치와 동일한 값의 보정용 토크전류지령치가 토크전류지령 수정부(65)로부터 출력된다. 또한 여기에서는 입출력비가 "1"인 경우에 대해 설명하지만, 이 입출력비는 영(0) 이외의 값이라면, 제어계 내의 게인 등에 따라 임의로 설정할 수 있는 값이다.

토크전류지령 수정부(65)는 이 특성을 이용하여 선회조작 방향(좌선회)과 상부 선회체(3)의 회전 방향이 다른 경우에는 PI 제어부(63)로부터 입력되는 보정용 토크전류지령치와 동일한 값의 보정용 토크전류지령치를 구동지령 생성부(50)의 가산기(68)에 보낸다.

또한 선회조작 방향과 선회용 전동기(21)의 회전 방향이 동일한지 다른지의 판정은 제어부(70)에 의해 행해진다.

릴레이(66)는 조작 레버(26A)에 의해 우선회가 지정된 경우에 폐쇄되고, 이것에 의해 토크전류지령 수정부(67)가 선택된다. 이 릴레이(66)의 개폐 제어는 제어부(70)에 의해 행해진다.

토크전류지령 수정부(67)는 선회조작 방향(우선회)과 상부 선회체(3)의 회전 방향이 동일한지 다른지에 기초하여, 필요에 따라 PI 제어부(63)로부터 입력되는 보정용 토크전류지령치를 수정하는 수정 처리를 한다. 이 수정 처리에서는 도 6(b)에 나타내는 특성을 이용한다. 또한 상부 선회체(3)의 회전 방향은 리졸버(22)의 검출치에 의해 얻어진다.

도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 우선회용의 수정특성은 상부 선회체(3)가 좌방향으로 선회하고 있을 때에는 (수정특성의 세로축에서 좌측의 영역에서는) 입출력치의 비(출력치/입력치)가 "1"이 되는 특성을 가진다. 또한 상부 선회체(3)가 우방향으로 선회하고 있을 때에는 (수정특성의 세로축에서 우측의 영역에서는) 출력치가 영이 되는 특성을 가진다.

수정 처리의 내용은 좌우의 방향이 다를 뿐 토크전류지령 수정부(65)와 기본적으로 동일하다. 토크전류지령 수정부(67)는 선회조작 방향(우선회)과 상부 선회체(3)의 회전 방향이 동일한 경우에는 구동지령 생성부(50)의 내부에서 생성되는 토크전류지령만이면 충분하고 보정용 토크전류지령치는 불필요하기 때문에, 토크전류지령 수정부(67)는 PI 제어부(63)에서 연산되는 보정용 토크전류지령을 영으로 수정한다.

이 때문에, 토크전류지령 수정부(67)에서 이용되는 입출력 특성은, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 입력치가 (우선회를 나타내는) 정의 값인 경우는 PI 제어부(63)로부터 입력되는 보정용 토크전류지령치를 영으로 하는 특성을 가진다.

한편, 선회조작 방향(우선회)과 상부 선회체(3)의 회전 방향이 다른 경우에는 구동지령 생성부(50)의 내부에서 생성되는 토크전류지령만으로는 불충분하기 때문에, 좌방향(역방향)으로의 선회동작을 줄이기 위해 PI 제어부(63)에서 연산되는 보정용 토크전류지령을 구동지령 생성부(50)에 보낼 필요가 있다.

이 때문에, 토크전류지령 수정부(67)에서 이용되는 입출력 특성은, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 입력치가 (좌선회를 나타내는) 부의 값인 경우에는 보정용 토크전류지령치를 출력하기 위해 입력치에 대한 출력치의 비(출력치/입력치)가 "1"인 특성으로 되어 있다. 이것에 의해 PI 제어부(63)로부터 입력되는 보정용 토크전류지령치와 동일한 값의 보정용 토크전류지령치가 토크전류지령 수정부(67)로부터 출력된다. 또한 여기에서는 입출력비가 "1"인 경우에 대해 설명하지만, 이 입출력비는 영(0) 이외의 값이라면, 제어계 내의 게인 등에 따라 임의로 설정할 수 있는 값이다.

토크전류지령 수정부(67)는 이 특성을 이용하여 PI 제어부(63)에서 연산되는 보정용 토크전류지령치와 동일한 값의 보정용 토크전류지령치를 구동지령 생성부(50)의 가산기(68)에 보낸다.

가산기(68)는 토크 제한부(53)로부터 보내지는 토크전류지령치와, 선회조작 방향과 상부 선회체(3)의 회전 방향이 다른 경우에 토크전류지령 수정부(65) 또는 토크전류지령 수정부(67)로부터 입력되는 보정용 토크전류지령치를 가산한다. 이 가산 처리에 의해 구동지령 생성부(50)에 의해 생성되는 토크전류지령이 보정된다.

또한 릴레이(64 및 66)는 레버(26A)에 의해 선회 방향이 지정되는 것에 의해 폐쇄되는 릴레이이며, 선회 방향이 지정되어 있지 않은 경우에는 개방된다.

[구동지령 보정부(60)에 의한 보정이 행해지지 않는 경우의 선회조작(비교예)]

여기서, 비교를 위해, 구동지령 보정부(60)에 의한 보정이 행해지지 않는 경우의 선회조작(즉, 도 4의 변환특성에 의한 속도지령만에 의한 선회동작)에 대해 설명한다.

평탄지에 있어서, 정지상태로부터 레버(26A)가 좌선회방향으로 조작되면, 불감대 영역을 넘어 영속도 지령 영역으로 전환될 때, 메카니컬 브레이크(23)가 해제됨과 함께 속도지령 변환부(31)로부터 출력되는 영속도 지령이 구동지령 생성부(50)에 입력된다. 영속도 지령이 입력되면, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)이 회전하여 선회동작 검출부(58)로부터 회전속도를 나타내는 데이터가 출력되고 감산기(51)로부터 회전속도의 편차가 출력되더라도, 이 회전속도의 편차를 영으로 하도록 선회용 전동기(21)가 구동제어되고, 회전축(21A)이 정지상태로 유지된다.

그리고 레버(26A)가 조작되는 것에 의해 속도지령 특성이 영속도 지령 영역을 넘어 좌선회구동 영역으로 전환되면, 속도지령 변환부(31)로부터 출력되는 속도지령에 기초한 토크전류지령이 구동지령 생성부(50)로부터 출력된다. 이것에 의해, 속도지령 변환부(31)로부터 출력되는 속도지령을 목표치로 한 구동제어가 행해지고, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)이 구동되어 상부 선회체(3)가 좌방향으로 선회한다.

또한 평탄지에서 상부 선회체(3)가 좌방향으로 선회하고 있는 상태에서 레버(26A)의 조작량을 줄이고, 속도지령 특성이 좌방향 선회구동 영역으로부터 영속도 지령 영역으로 전환되면, 영속도 지령에 의해 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)이 정지상태로 유지된다.

그리고 레버(26A)의 조작량을 줄여, 속도지령 특성이 영속도 지령 영역으로부터 불감대 영역으로 전환되면, 메카니컬 브레이크(23)가 걸림과 함께 속도지령 변환부(31)로부터 구동지령은 출력되지 않게 되어, 구동지령 생성부(50)는 구동제어를 하지 않게 된다. 이것에 의해, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)은 기계적으로 정지된 상태가 된다. 이들 일련의 동작은 평탄지에서의 우방향의 선회동작에서도 마찬가지이므로, 그 설명은 생략한다.

이와 같이 평탄지에서는 상기 서술한 바와 같이 운전자가 레버(26A)에 입력하는 선회조작 방향에 따른 상부 선회체(3)의 선회구동이 가능하다.

또한 경사지에서 중량이 큰 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 경사면 하방을 향하는 방향으로 상부 선회체(3)를 선회시키는 경우에도, 상기 서술한 평탄지의 경우와 마찬가지로 선회를 할 수 있다.

그러나 경사지에서 중량이 큰 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 경사면 상방을 향하는 방향으로 상부 선회체(3)를 선회시키는 경우에는 속도지령에 의해 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에 생기는 구동 토크보다, 관성 모멘트에 의해 상부 선회체(3)가 역방향으로 선회하는 토크 쪽이 커지는 경우가 있다. 이 경우에는 중량이 큰 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 경사면 하방을 향하는 방향으로 상부 선회체(3)가 선회해 버린다.

즉, 경사지에서는 레버(26A)로 좌방향 또는 우방향으로의 선회조작을 행하고 조작량이 영속도 지령 영역에 있는 경우에도 선회조작 방향과는 역방향으로 선회하는 경우가 있다.

또한 속도지령 특성이 좌방향 선회 영역 또는 우방향 선회 영역에 있는 경우에도, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에 생기는 구동 토크보다, 관성 모멘트에 의해 상부 선회체(3)가 선회하는 토크 쪽이 커지는 경우가 있다. 이 경우에는 상부 선회체(3)가 선회조작 방향과는 역방향(붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 경사면 하방을 향하는 방향)으로 선회해 버린다.

즉, 경사지에서는 레버(26A)로 좌방향 또는 우방향으로의 선회조작을 행하고 조작량이 좌방향 선회 영역 또는 우방향 선회 영역에 있는 경우에도 선회조작 방향과는 역방향으로 선회하는 경우가 있다.

그런데 본 실시의 형태의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계에 의하면, 구동지령 보정부(60)에 의해 구동지령이 보정되기 때문에, 이러한 선회조작 방향과는 역방향으로의 선회를 줄일 수 있어, 더욱 움직임 개시를 원활하게 할 수 있다. 아래에 그 원리를 설명한다.

[구동지령 보정부(60)에 의한 보정이 행해지는 경우의 선회동작]

다음에, 본 실시의 형태의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계의 평탄지 및 경사지에서의 선회동작을 설명한다. 구동지령 보정부(60)에 의한 보정이 행해지면, 비교를 위해 설명한 보정이 행해진 평탄지에서의 선회동작과는 달리, 아래와 같이 선회조작 방향과는 역방향으로의 선회를 줄일 수 있다.

경사지에서도 관성력의 영향을 받지 않을 정도의 완만한 경사로 선회동작을 시키는 경우에는, 평탄지와 마찬가지로 레버(26A)의 조작량에 따른 좌방향 또는 우방향으로의 속도지령 특성에 기초하여 구동지령 생성부(50)에서 토크전류지령이 연산된다. 또한 경사가 완만하면, 평탄지와 마찬가지로 상부 선회체(3)를 선회시키기 위한 선회용 전동기(21)의 구동 토크가 부족한 일은 없어, 선회조작 방향과는 역방향으로의 선회는 검출되지 않는다. 이 때문에 토크전류지령 수정부(65) 및 토크전류지령 수정부(67)로부터 출력되는 보정치는 영이며, 토크 전류치의 보정은 행해지지 않는다. 이것에 의해, 평탄지에서는 도 4에 나타내는 속도지령 특성에 따른 선회동작이 행해진다.

이와 마찬가지로, 경사지에서 중량이 큰 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 경사면 하방을 향하는 방향으로 상부 선회체(3)를 선회시키는 경우에도 평탄지의 경우와 마찬가지로 상부 선회체(3)를 선회시키기 위한 선회용 전동기(21)의 구동 토크가 부족한 일은 없으며, 선회조작 방향과는 역방향으로의 선회는 검출되지 않기 때문에, 선회조작 방향과 동일한 방향으로 선회를 할 수 있다.

다음에, 경사지에서 중량이 큰 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 좌방향의 선회를 행함으로써 경사면 상방을 향하는 방향으로 상부 선회체를 선회시킬 때의 동작에 대해 설명한다.

운전자에 의한 레버(26A)의 조작에 의해 좌선회가 지정되면, 레버(26A)의 조작량이 도 4에 나타내는 영속도 지령 영역에 들어가 메카니컬 브레이크(23)가 해제된다. 이 상태로 선회동작 검출부(58)에 의해 우방향(역방향)의 선회가 검출되면, 감산기(62)로부터 회전속도의 편차(정의 값)가 출력되고, 이 편차에 기초하여 PI 제어부(63)에서 정의 값을 가지는 보정용 토크전류지령치가 연산된다. 이 보정용 토크전류지령치는 토크전류지령 수정부(65)에 입력되고, 이 입력치와 동일한 값을 가지는 보정용 토크전류지령치가 토크전류지령 수정부(65)로부터 출력되어, 가산기(68)에서 토크 제한부(53)로부터 출력되는 토크전류지령치(좌선회용의 정의 값을 가진다)와 가산된다.

여기서, 상부 선회체(3)의 관성력에 의해 우방향(역방향)으로 움직이기 시작할 때에는 감산기(62)로부터 출력되는 편차는 증대한다. 이 때문에, 토크전류지령 수정부(65)로부터 출력되는 출력치도 우방향(역방향)으로 움직이기 시작할 때에는 증대하고, 토크 제한부(53)로부터 출력되는 토크전류지령치도 증대한다(도 6(a)). 그리고 선회용 전동기(21)의 구동 토크가 증대하면, 상부 선회체(3)를 좌방향(정방향)으로 회전시키고자 하는 힘이 커지기 때문에, 상부 선회체(3)의 우방향(역방향)으로의 회전속도는 저하하기 시작한다. 이것에 의해 감산기(62)로부터의 편차는 서서히 감소하며, 토크전류지령 수정부(65)로부터 출력되는 보정용 토크전류지령치도 서서히 작아진다. 이렇게 하여 우방향(역방향)으로의 선회동작이 줄어든다.

또한 역방향으로의 선회가 정지하는 것은 선회용 전동기(21)의 구동축에 발생하는 구동 토크와 상부 선회체(3)의 중력이 균형이 잡혀 있을 때이다. 이 균형의 위치는 경사각이나 상부 선회체(3)의 관성 모멘트에 의해 정해지기 때문에, 레버(26A)의 조작량이 영속도 지령 영역 내에 있을 때 균형이 잡히는 경우도 있고, 레버(26A)의 조작량이 더욱 늘어나 좌방향 선회구동 영역에 들어가고 나서 균형이 잡히는 경우도 있다. 이 균형 위치에 레버(26A)의 조작량이 도달할 때까지는 구동지령 보정부(60)에서 생성되는 보정용 토크전류지령치에 의해 역방향의 선회가 줄어들기 때문에, 운전자가 레버(26A)의 조작량을 늘리는 것에 의해 원활한 좌방향으로의 선회동작을 할 수 있다.

그 후, 상부 선회체(3)가 좌방향(정방향)으로 선회하면 선회구동제어장치(40)에서는 구동지령 보정부(60)에 의한 보정 처리는 행해지지 않고, 평탄지와 동일한 처리가 행해진다.

또한 경사지에서 중량이 큰 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 경사면 상방을 향하는 방향으로 상부 선회체(3)를 선회시키기 위해 우방향의 선회를 하는 경우에는 상기 서술한 동작 설명에서 좌우를 바꾼 내용이 되므로 생략한다.

이상에서, 본 실시의 형태의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계에 의하면, 선회조작 방향과는 역방향의 상부 선회체(3)의 선회가 검출되어도, 구동지령 보정부(60)에서 생성되는 보정용 토크전류지령치에 의해 선회용 전동기(21)의 구동 토크가 보충되기 때문에, 경사지에서 붐(4) 등의 중량물이 경사면 상방으로 이동하도록 상부 선회체(3)를 선회시키고자 한 경우, 상부 선회체(3)의 관성 모멘트가 커도 선회조작 방향과는 역방향으로의 선회를 줄일 수 있다. 이것에 의해 움직임 개시가 원활한 선회동작을 실현할 수 있는 선회구동제어장치 및 건설기계를 제공할 수 있다.

또한 본 실시의 형태와 같이 구동지령 보정부(60)를 구비하는 일 없이, PI 제어부(52 또는 56)에서의 PI 제어의 게인을 증대시키는 것에 의해 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작을 줄이는 수법도 생각할 수 있다. 그러나 이러한 수법에서는, 증대된 게인을 이용한 PI 제어에 의해 속도지령(운전자의 입력)에 기초하여 토크전류지령치가 연산되게 되므로, PI 제어에서의 오버슛이 생겨 토크전류지령치가 목표치로 들어오기 어려워져, 이것에 의해 원활한 선회동작이 실현되기 어려워진다는 과제가 있다.

이에 반해, 본 실시의 형태의 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계에 의하면, 상기 서술과 같이 구동지령 생성부(50)에서의 PI 제어의 게인을 증대시키는 일 없이, 구동지령 보정부(60)에서 연산되는 보정용 토크전류지령치에 의해 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작이 줄어들기 때문에, 움직임 개시가 원활한 선회동작과 양호한 승차감을 제공할 수 있다.

이상에서는 선회용 전동기(21)가 인버터(20)에 의해 PWM 구동되는 교류 모터이며, 그 회전속도를 검출하기 위해 리졸버(22) 및 선회동작 검출부(58)를 이용하는 형태에 대해 설명했지만, 선회용 전동기(21)는 직류 모터여도 된다. 이 경우에는 인버터(20), 리졸버(22) 및 선회동작 검출부(58)가 불필요해지며, 회전속도로는 직류 모터의 타코제네레이터로 검출되는 값을 이용하면 된다.

또한 이상에서는 구동지령 보정부(60)가 보정용 영속도 지령 생성부(61)를 포함하고, 보정용 토크전류지령치를 연산하기 위한 보정용 영속도 지령이 구동지령 보정부(60)의 내부에서 생성되는 형태에 대해 설명했지만, 구동지령 보정부(60)가 보정용 영속도 지령 생성부(61)를 포함하지 않고, 구동지령 보정부(60)의 외부로부터 보정용 영속도 지령이 공급되도록 구성되어 있어도 된다.

또한 이상에서는 토크전류지령의 연산에 PI 제어를 이용하는 형태에 대해 설명했지만, 그 대신에 로버스트 제어, 적응 제어, 비례 제어, 적분 제어 등을 이용해도 된다.

또한 이상에서는 하이브리드형 건설기계를 이용해 설명했지만, 선회기구가 전동화되어 있는 건설기계라면 본 실시의 형태의 선회구동장치의 적용 대상은 하이브리드형에 한정되는 것은 아니다.

이상에서 본 발명의 예시적인 실시의 형태의 선회구동제어장치 및 이것을 이용한 건설기계에 대해 설명했지만, 본 발명은 구체적으로 개시된 실시의 형태에 한정되는 것은 아니며, 특허청구의 범위로부터 일탈하는 일 없이 여러 가지의 변형이나 변경이 가능하다.

본 국제출원은 2007년 10월 18일에 출원된 일본 특허출원 제2007-271656호에 기초한 우선권을 주장하는 것이며, 일본 특허출원 제2007-271656호의 모든 내용을 본 국제특허출원에 원용한다.

1: 하부 주행체 1A, 1B: 유압 모터
2: 선회기구 3: 상부 선회체
4: 붐 5: 암
6: 버킷 7: 붐 실린더
8: 암 실린더 9: 버킷 실린더
10: 캐빈 11: 엔진
12: 전동발전기 13: 감속기
14: 메인 펌프 15: 파일럿 펌프
16: 고압 유압 라인 17: 컨트롤 밸브
18: 인버터 19: 배터리
20: 인버터 21: 선회용 전동기
23: 메카니컬 브레이크 24: 선회 감속기
25: 파일럿 라인 26: 조작장치
26A, 26B: 레버 26C: 페달
27: 유압 라인 28: 유압 라인
29: 압력 센서 30: 컨트롤러
31: 속도지령 변환부 32: 구동제어장치
40: 선회구동제어장치 50: 구동지령 생성부
51: 감산기 52: PI 제어부
53: 토크 제한부 54: 토크 제한부
55: 감산기 56: PI 제어부
57: 전류 변환부 58: 선회동작 검출부
60: 구동지령 보정부 61: 보정용 영속도 지령 생성부
62: 감산기 63: PI 제어부
64, 66: 릴레이 65, 67: 토크전류지령 수정부
68: 가산기 70: 주제어부

Claims

전동기로 선회구동되는 건설기계의 선회기구를 구동제어하는 선회구동제어장치로서,
건설기계의 조작부를 통하여 입력되는 조작량에 기초하여, 상기 전동기를 구동하기 위한 구동지령을 생성하는 구동지령 생성부와,
상기 선회기구의 선회동작을 검출하는 선회동작 검출부와,
상기 조작부에 입력되는 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작이 상기 선회동작 검출부에 의해 검출되면, 상기 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작의 정도에 따라 상기 선회조작 방향과는 역방향의 선회동작을 줄이도록 상기 구동지령을 보정하는 구동지령 보정부
를 포함하는 선회구동제어장치.
청구항 1에 있어서,
구동지령 보정부는, 상기 전동기의 회전속도를 영으로 하기 위한 영속도 지령과 상기 선회동작 검출부에 의해 검출되는 상기 역방향의 선회동작의 정도에 기초하여 상기 구동지령을 보정하는 선회구동제어장치.
청구항 2에 있어서,
상기 구동지령 보정부는, 상기 영속도 지령의 값과 상기 선회동작 검출부에 의해 검출되는 선회동작의 정도를 나타내는 값에 기초하여 보정용 구동지령의 값을 연산하고, 상기 보정용 구동지령의 값을 상기 구동지령 생성부에 의해 생성되는 구동지령의 값에 가산하도록 구성되어 있고,
상기 선회동작 검출부에 의해 검출되는 선회동작의 방향이 상기 선회조작 방향과 역방향인 경우에는 상기 보정용 구동지령의 값을 상기 구동지령 생성부에 의해 생성되는 구동지령의 값에 가산하고, 상기 선회동작 검출부에 의해 검출되는 선회동작의 방향이 상기 선회조작 방향과 동일 방향인 경우에는 상기 구동지령의 값에 가산하는 상기 보정용 구동지령의 값을 영으로 하는 선회구동제어장치.
청구항 3에 있어서,
상기 보정용 구동지령의 값을 연산하기 위한 상기 구동지령 보정부의 제1 제어 게인은 상기 구동지령을 생성하기 위한 상기 구동지령 생성부의 제2 제어 게인보다 크게 설정되는 선회구동제어장치.
청구항 1에 기재된 선회구동제어장치를 포함하는 건설기계.