KR20130057408A - 건설 기계 - Google Patents

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KR20130057408A
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도시히꼬 와따나베
도시히꼬 이시다
마나부 에다무라
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히다찌 겐끼 가부시키가이샤
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Abstract

원동기(22)와, 원동기(22)에 의해 구동되는 유압 펌프(41)와, 유압 펌프(41)로부터의 압유에 의해 구동되는 유압 모터(27)와, 전동 모터(25)와, 전동 모터(25)와의 사이에서 전력의 수수를 행하는 축전 장치(24)와, 전동 모터(25)의 구동 제어를 행하는 전동 모터 제어 컨트롤러(60)와, 전동 모터(25)와 유압 모터(27)의 동력을 선회체에 전달하는 감속 기구(26)로 이루어지는 건설 기계에 있어서, 전동 모터 제어 컨트롤러(60)는, 전동 모터(25)의 유기 전압 파형을 검출하는 유기 전압 파형 검출 수단과, 유압 모터(27)의 토크로만 선회체(2)를 구동한 상태에서, 유기 전압 파형을 도입하고, 얻어진 유기 전압 파형으로부터 회전 위치 센서를 통하지 않고 전동 모터(25)의 로터의 자극 위치를 산출하는 자극 위치 산출 수단을 구비했다.

Description

건설 기계{CONSTRUCTION MACHINE}
본 발명은, 유압 셔블 등의 선회체를 구비한 건설 기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 유압 모터와 전동 모터를 병용한 선회체 구동 장치가 구동하는 선회체를 구비한 건설 기계에 관한 것이다.
일반적으로, 유압 셔블과 같은 건설 기계는, 가솔린, 경유 등의 연료를 사용한 엔진을 동력원으로서, 유압 펌프를 구동하여 압유를 발생시키고, 이 압유에 의해 유압 모터, 유압 실린더 등의 유압 액추에이터를 구동한다. 유압 액추에이터는, 소형 경량이고 대출력이 가능하여, 건설 기계의 액추에이터로서 널리 사용되고 있다.
한편, 최근, 전동 모터 및 축전 디바이스(배터리나 전기 이중층 캐패시터 등) 등으로 구성된 전동 액추에이터를 사용함으로써, 유압 액추에이터만을 사용한 종래의 건설 기계보다 에너지 효율을 높이고, 에너지 절약화를 도모한 건설 기계가 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 전동 액추에이터는, 유압 액추에이터에 비해 에너지 효율이 좋고, 제동 시의 운동 에너지를 전기 에너지로서 회생할 수 있는 등의, 에너지적으로 우수한 특성을 갖고 있다.
예를 들어, 특허 문헌 1에 개시되는 종래 기술에서는, 선회체의 구동 액추에이터로서 전동 모터를 탑재한 유압 셔블이 개시되어 있다. 유압 셔블의 선회체를 주행체에 대하여 선회 구동하는 액추에이터는, 사용 빈도가 높고, 작업에 있어서 기동 정지, 가속 감속을 빈번하게 반복한다.
이때, 감속 시(제동 시)에 있어서의 선회체의 운동 에너지는, 유압 액추에이터의 경우에는 유압 회로 상에서 열로서 버려지지만, 전동 액추에이터의 경우에는 전기 에너지로서의 회생을 예상할 수 있으므로, 에너지 절약의 관점에서는, 전동 모터를 사용하는 것이 효과적이라고 생각된다.
또한, 유압 모터와 전동 모터를 양쪽 탑재하고, 합계 토크에 의해 선회체를 구동하는 건설 기계가 개시되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 2 및 3 참조). 특허 문헌 2 및 3의 종래 기술은, 모두, 선회 구동용 액추에이터로서, 전동 모터와 유압 모터를 병용함으로써, 종래의 유압 액추에이터 구동의 건설 기계에 익숙해진 작업자에게도 위화감 없이 조작할 수 있음과 동시에, 간단하고 실용화가 용이한 구성으로 에너지 절약화를 도모하고 있다.
일본 특허 출원 공개 제2001-016704호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-124381호 공보 일본 특허 출원 공개 제2009-052339호 공보 일본 특허 출원 공개 평09-056193호 공보
특허 문헌 1 내지 3에 개시된 종래 기술과 같이, 건설 기계의 선회체의 구동 장치에 전동 모터를 사용하는 경우, 전동 모터는 작업 중에 정지, 기동을 반복한다. 일반적으로 이러한 용도로는, 자극 위치 센서가 구비된 영구 자석 동기 모터, 소위 서보 모터가 사용되고 있다. 정지 상태로부터의 서보 모터의 시동에는 스테이터에 대한 로터의 자극 위치를 검출할 필요가 있어, 특허 문헌 3의 종래 기술에 개시되어 있는 바와 같이, 리졸버나 인코더 등의 자극 위치 센서의 설치가 필요해진다.
건설 기계에 있어서는, 특히 진동, 충격, 열 등의 조건이 엄격하여, 선회 구동 장치의 전동 모터에 자극 위치 센서를 사용했을 때의 신뢰성의 저하를 문제점으로서 들 수 있다. 또한, 이들 자극 위치 센서는 고가여서, 제조비의 비용 상승도 문제가 된다.
이로 인해, 에어 컨디셔닝 등의 회전을 지속시키는 용도의 모터로 일반화하고 있는 자극 위치 센서 없이 영구 자석 동기 모터를 구동하는 센서리스 모터 구동 제어 기술의 도입이 생각되지만, 건설 기계의 선회체의 구동 장치에 적용하기 위해서는, 정지 상태로부터의 기동에 문제가 있다.
센서리스 모터 구동 제어에 있어서의 모터 기동에서는, 예를 들어, 3상의 코일 중 2상에 통전을 행함과 동시에, 나머지 1개의 상의 고정자 권선에 발생하는 유기 전압을 검출하고, 이 유기 전압으로부터 회전자의 자극 위치를 검출하여 상기 2상 통전을 순차 전환하는 등의 시퀀스가 필요해진다(예를 들어, 특허 문헌 4 참조). 이로 인해, 정지, 기동의 반복이나, 미속으로의 선회 동작이 요구되는 건설 기계의 선회체 구동 장치에 이 센서리스 모터 구동 제어 기술을 적용하는 것은 곤란하다.
본 발명은, 이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은, 유압 모터와 전동 모터를 양쪽 탑재하고, 합계 토크에 의해 선회체를 구동하는 건설 기계에 있어서, 비용을 억제함과 동시에 신뢰성을 향상시키면서, 정지 상태로부터 선회 구동 가능한 선회체의 구동 장치를 구비한 건설 기계를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 제1 발명은, 원동기와, 상기 원동기에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프로부터의 압유에 의해 구동되는 유압 모터와, 전동 모터와, 상기 전동 모터와의 사이에서 전력의 수수를 행하는 축전 장치와, 상기 전동 모터의 구동 제어를 행하는 전동 모터 제어 컨트롤러와, 상기 전동 모터와 상기 유압 모터의 동력을 선회체에 전달하는 감속 기구로 이루어지는 건설 기계에 있어서, 상기 전동 모터 제어 컨트롤러는, 상기 전동 모터의 유기 전압 파형을 검출하는 유기 전압 파형 검출 수단과, 상기 유압 모터의 토크로만 상기 선회체를 구동한 상태에서, 상기 유기 전압 파형 검출 수단으로부터의 유기 전압 파형을 도입하고, 얻어진 유기 전압 파형으로부터 회전 위치 센서를 통하지 않고 상기 전동 모터의 로터의 자극 위치를 산출하는 자극 위치 산출 수단을 구비한 것으로 한다.
또한, 제2 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 선회체의 선회 속도가 낮고, 상기 전동 모터의 스테이터에 대한 로터의 자극 위치가 불분명할 때는, 상기 선회체를 선회 조작하는 선회 조작 레버의 조작에 의해, 상기 유압 펌프로부터의 압유를 상기 유압 모터에 공급하여 상기 선회체를 구동하는 컨트롤 밸브에, 선회 구동 지령을 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제3 발명은, 제2 발명에 있어서, 상기 전동 모터 제어 컨트롤러는, 상기 전동 모터가 로터의 자극 위치를 산출 가능한 회전수에 도달하면, 상기 로터의 자극 위치를 유기 전압 파형으로부터 산출하고, 상기 전동 모터를 구동 제어하는 센서리스 구동 제어 수단을 더 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 제4 발명은, 제3 발명에 있어서, 상기 센서리스 구동 제어 수단은, 상기 전동 모터의 속도가 증속하여 설정값에 도달하면, 상기 전동 모터로의 토크 인가를 개시하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제5 발명은, 제3 발명에 있어서, 상기 센서리스 구동 제어 수단은, 상기 전동 모터의 속도가 감속하여 설정값에 도달하면, 상기 전동 모터로의 토크 인가를 정지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 유압 모터와 전동 모터를 양쪽 탑재하고, 합계 토크에 의해 선회체를 구동하는 건설 기계에 있어서, 전동 모터의 로터의 자극 위치를 검출하기 위한 회전 위치 센서를 장비하지 않고, 유압 모터의 토크로만 선회체를 구동한 상태에서 전동 모터 제어 컨트롤러가 전동 모터에 발생하는 유기 전압을 도입하고, 얻어진 유기 전압 파형으로부터, 로터의 자극 위치를 산출하고, 전동 모터를 센서리스 구동함으로써, 유압 모터와 전동 모터를 병용하는 선회체 구동 장치를 구비한 건설 기계를, 높은 신뢰성을 가지고, 또한 저렴하게 실현할 수 있다. 이에 의해, 종래의 유압 액추에이터 구동의 건설 기계에 익숙해진 작업자에게도 위화감 없이 조작 가능하고, 또한 전동 모터에 의한 에너지 효율 향상 효과 및 에너지 회생 효과에 의해, 에너지 절약화를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 도시하는 측면도이다.
도 2는 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 일례를 일부 단면에서 도시하는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 가속 시의 센서리스 구동 제어를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 감속 시의 센서리스 구동 제어를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 센서리스 구동 제어에 있어서의 모터 속도와 모터 토크의 관계의 일례를 나타내는 특성도이다.
도 7은 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 다른 예를 도시하는 측면도이다.
도 8은 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 또 다른 예를 도시하는 측면도이다.
도 9는 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 또 다른 예의 배치 상태를 도시하는 평면 개략도이다.
이하, 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 도시하는 것으로, 도 1은 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 도시하는 측면도, 도 2는 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성도이다.
도 1은 건설 기계로서의 유압 셔블을 도시하고 있다. 이 유압 셔블은 자주(自走) 가능한 주행체(1)와, 이 주행체(1) 상에 선회 가능하게 탑재되어, 주행체(1)와 함께 차체를 구성하는 선회체(2)와, 이 선회체(2) 상의 전방부에 상하 방향으로 회전 가능하게[부앙동(俯仰動) 가능하게] 설치된 프론트 장치(3)에 의해 대략 구성되어 있다.
주행체(1)는, 한 쌍의 크롤러(11) 및 크롤러 프레임(12)(도면에서는 편측만을 도시함), 각 크롤러(11)를 독립하여 구동 제어하는 주행용 유압 모터(13, 14)(도면에서는 편측의 13만을 도시함) 및 그 감속 기구 등으로 구성되어 있다.
선회체(2)는, 선회 프레임(21)과, 선회 프레임(21) 상에 설치된, 원동기로서의 엔진(22)과, 엔진(22)에 의해 구동되는 어시스트 발전 모터(23)와, 선회용 전동 모터(25)와, 어시스트 발전 모터(23) 및 선회용 전동 모터(25)에 접속되는 전기 에너지를 축적하는 캐패시터나 배터리 등으로 이루어지는 축전 장치(24)와, 선회용 전동 모터(25)의 회전을 감속하는 감속 기구(26)를 포함하고, 선회용 전동 모터(25)와 선회용 유압 모터(27)의 구동력에 의해 주행체(1)에 대하여 선회체(2)[선회 프레임(21)]를 선회 구동시키기 위한 선회 기구 등으로 구성되어 있다.
프론트 장치(3)는, 붐(31)과, 붐(31)을 구동하기 위한 붐 실린더(32)와, 붐(31)의 선단부 근방에 회전 가능하게 축 지지된 아암(33)과, 아암(33)을 구동하기 위한 아암 실린더(34)와, 아암(33)의 선단에 회전 가능하게 축 지지된 버킷(35)과, 버킷(35)을 구동하기 위한 버킷 실린더(36) 등으로 구성되어 있고, 선회체(2)에 탑재되어 있다.
또한, 선회체(2)의 선회 프레임(21) 상에는, 상기 선회용 유압 모터(27), 붐 실린더(32), 아암 실린더(34), 버킷 실린더(36) 등의 유압 액추에이터를 구동하기 위한 유압을 발생하는 유압 펌프(41) 및 각 액추에이터를 구동 제어하기 위한, 도 1에는 도시되지 않은 컨트롤 밸브(42)를 포함하는 유압 시스템(40)이 탑재되어 있다. 유압원으로 되는 유압 펌프(41)는 엔진(22)에 의해 구동되고 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 있어서의 주요 전동·유압 시스템을 도 2를 사용하여 설명한다. 도 2에 있어서, 엔진(22)의 구동력은 유압 펌프(41)에 전달된다. 유압 펌프(41)로부터 토출되는 동작 오일은, 유압 배관(43)을 통해 컨트롤 밸브(42)에 공급된다. 컨트롤 밸브(42)는, 도시하지 않은 각 조작 레버로부터의 지령에 따라, 붐 실린더(32), 아암 실린더(34), 버킷 실린더(36) 및 주행용 유압 모터(13, 14)로의 동작 오일의 토출량 및 토출 방향을 제어한다. 또한 컨트롤 밸브(42)는, 조작 레버로부터의 지령에 따라, 선회용 유압 모터(27)로의 동작 오일의 토출량 및 토출 방향을 제어한다.
전동 모터 제어 유닛(55)은, 전기 에너지를 축적하는 캐패시터나 배터리 등으로 이루어지는 축전 장치(24)와, 이 축전 장치(24)로부터의 직류 전력을 소정의 모선 전압으로 승압하는 초퍼(51)와, 선회용 전동 모터(25)와의 사이에서 전력 변환을 행하는 인버터(52)와, 어시스트 발전 모터(23)와의 사이에서 전력 변환을 행하는 인버터(53)와, 모선 전압을 안정시키기 위한 평활 콘덴서(54)와, 인버터(52, 53) 등을 제어하는 전동 모터 제어 컨트롤러(60)에 의해 대략 구성되어 있다.
축전 장치(24)는, 어시스트 발전 모터(23) 및/또는 선회용 전동 모터(25)가 전동기로서 기능할 때, 인버터(52) 및/또는 인버터(53)를 통해 소요의 전력을 공급하고, 또한 어시스트 발전 모터(23) 및/또는 선회용 전동 모터(25)가 발전기로서 기능할 때는, 인버터(52) 및/또는 인버터(53)를 통해 발생하는 전력을 수취한다.
인버터(52, 53)는, 예를 들어 IGBT 등의 스위칭 소자를 복수 사용한 3상 브리지 인버터와, 이 스위칭 소자를 개폐하기 위한 게이트 드라이브 회로로 구성되어 있다. 예를 들어, 선회용 전동 모터(25)의 구동 시에는, 후술하는 선회 제어용의 컨트롤러(80)로부터의 지령 신호에 기초하여, 전동 모터 제어 컨트롤러(60)가 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 인버터(52)에 출력함으로써 축전 장치(24)로부터 공급되는 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하고, 3상의 선회용 전동 모터(25)의 고정자 권선으로의 통전을 순차 전류시킴으로써, 지령 신호에 따른 각 상의 전류를 선회용 전동 모터(25)에 출력한다. 선회용 전동 모터(25)는, 로터에 영구 자석을 사용한 영구 자석 동기 모터이다.
선회용 전동 모터(25)와 인버터(52) 사이를 접속하는 3상 케이블(59)에는, 유기 전압 파형 검출 수단으로서의 전압 센서(59A)가 설치되어 있고, 선회용 전동 모터(25)의 회전에 수반하여 발생하는 유기 전압 파형이, 전동 모터 제어 컨트롤러(60)에 입력되어 있다.
전동 모터 제어 컨트롤러(60)에는, 입력된 상기 유기 전압 파형으로부터, 선회용 전동 모터(25)의 회전수나 로터의 자극 위치를 산출하는 자극 위치 산출 수단으로 되는 소프트웨어가 실장되어 있다. 예를 들어, 선회용 전동 모터(25)가 정지 상태로부터 소정의 회전수에 도달하여, 유기 전압이 충분한 값이 되었을 때, 전압 센서(59A)에 의해 유기 전압 파형이 검출되고, 유기 전압 파형을 전동 모터 제어 컨트롤러(60)가 처리함으로써, 선회용 전동 모터(25)의 로터 자극 위치(스테이터와 로터의 회전 위치 관계)가 산출되어, 선회용 전동 모터(25)의 센서리스 구동 제어가 개시된다.
선회용 전동 모터(25)의 회전축과 선회용 유압 모터(27)의 회전축은 결합되어 있고, 감속 기구(26)를 통해 선회체(2)를 구동한다.
선회 제어용의 컨트롤러(80)는, 압력 신호, 회전 속도 신호 등의 도 2에는 도시되지 않은 신호와 선회 조작 레버(81)로부터의 조작 지령 신호를 사용하여, 컨트롤 밸브(42), 전동 모터 제어 유닛(55)에 대하여 지령 신호를 출력하고, 유압 단독 선회 모드, 유압 전동 복합 선회 모드의 전환 및 각 모드의 선회 제어, 전동 시스템의 이상 감시, 에너지 매니지먼트 등의 제어를 행한다. 75는, 선회 제어용의 컨트롤러(80)로부터의 전기 신호를 유압 파일럿 신호로 변환하는 디바이스이며, 예를 들어 전자기 비례 밸브에 상당한다.
다음으로, 본 실시 형태에 있어서의 선회체 구동 장치를 도 3을 사용하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 일례를 일부 단면에서 도시하는 측면도이다. 도 3에 있어서 도 1 및 도 2에 도시하는 부호와 동일한 부호의 것은, 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3에 도시하는 본 발명의 실시 형태인 유압 셔블의 선회체 구동 장치는, 선회용 유압 모터(27)와 유성 기어의 감속 기구(26)를 내장한 기어 하우징(90) 사이에 선회용 전동 모터(25)를 끼워 넣은 구성으로 되어 있다. 선회용 전동 모터(25)는, 샤프트(100), 로터(101), 스테이터 코일(102), 냉각수로(103), 상부 베어링(104), 하부 베어링(105) 등으로 이루어져 있다. 샤프트(100)의 상부에서는, 유압 모터 축 단부(106)가 삽입, 결합되고, 샤프트(100)의 하부의 전동 모터 축 단부(107)는, 기어 하우징(90) 내의 유성 기어 감속 기구에 결합되어 있다.
또한, 기어 하우징(90)은 샤프트 하우징(91)에 볼트 고정되고, 이들 전체가 선회체(2)의 하부의 선회 프레임(21)에 고정되어 있다. 또한, 도 3에 있어서, 둥근 몸통체(92)는, 주행체(1)의 상부에 설치된 환 형상의 부재이며, 환 형상의 내륜(93)은 둥근 몸통체(92)의 상면에 복수의 볼트로 고정되어 있다. 이 내륜(93)의 내측에는 구동 피니언(95)과 맞물리는 내기어가 설치되어 있다. 환 형상의 외륜(94)은 선회체(2)측의 부재인 선회 프레임(21)의 하면에 복수의 볼트로 고정되고 내륜(93)의 외측을 둘러싸 배치되어 있다. 피니언 샤프트(96)는 구동 피니언(95)과 선회용 유압 모터의 회전축을 연결하고 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 선회용 전동 모터(25)는, 자극 위치를 검출하기 위한 회전 위치 센서를 가지지 않으므로, 도 3에 도시하는 바와 같이 지극히 심플한 구조로 되어 있다.
다음으로, 상술한 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태에 의해, 선회 조작 레버(81)의 입력에 따라 선회체(2)가 구동될 때의 선회용 유압 모터(27)와 선회용 전동 모터(25)의 동작에 대해, 도 3 내지 도 6을 사용하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 가속 시의 센서리스 구동 제어를 나타내는 흐름도, 도 5는 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 감속 시의 센서리스 구동 제어를 나타내는 흐름도, 도 6은 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 센서리스 구동 제어에 있어서의 모터 속도와 모터 토크의 관계의 일례를 나타내는 특성도이다. 도 4 내지 도 6에 있어서, 도 1 내지 도 3에 도시하는 부호와 동일한 부호의 것은, 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
우선, 가속 시의 스텝(S100)에서는, 선회 가속 지령이 입력된다. 구체적으로는, 예를 들어 선회체(2)가 정지한 상태에 있어서, 작업자에 의해 선회 조작 레버(81)의 가속 조작 지령 신호가 입력된다. 도 6에서는, 시각 T0로부터 시각 T3에 걸쳐 비례적으로 증대하도록 선회 지령 신호가 입력되어 있다.
다음으로, 스텝(S102)에서는, 선회용 전동 모터(25)의 유기 전압을 검출한다. 구체적으로는, 영구 자석을 구비한 선회용 전동 모터의 로터(101)가 스테이터 코일(102)에 대하여 회전함으로써, 스테이터 코일에 유기 전압이 발생하고, 선회용 전동 모터(25)와 인버터(52) 사이의 3상 케이블(59)에, 선회용 전동 모터(25)의 회전에 수반하는 유기 전압 파형이 발생한다.
다음으로, 스텝(S104)에서는, 앞의 스텝(S102)에서 검출된 유기 전압 파형의 전압치를 측정하고, 선회용 전동 모터(25)의 자극 위치를 산출할 수 있는지의 여부가 판단된다. 이 스텝(S104)에서 아니오라고 판단된 경우에는, 스텝(S106)으로 진행하고, 선회용 유압 모터(27) 단독에 의한 가속이 계속되어, 스텝(S104)에 있어서, 예라고 판단될 때까지 반복된다.
스텝(S104)에서 예라고 판단된 경우에는, 스텝(S108)으로 옮겨진다. 스텝(S108)에서는, 선회용 전동 모터(25)의 회전에 수반하는 유기 전압으로부터 로터 자극 위치를 산출한다. 구체적으로는, 도 6에 나타내는 시각 T1에 있어서, 선회용 전동 모터 속도가 N0에 도달하고, 유기 전압이 충분한 값이 되었을 때, 전압 센서(59A)에 의해 유기 전압 파형이 검출되고, 전동 모터 제어 컨트롤러(60)에 의해, 선회용 전동 모터(25)의 로터 자극 위치(스테이터와 로터의 회전 위치 관계)가 산출된다. 여기서, 전동 모터 제어 컨트롤러(60)는 자극 위치를 산출할 때까지는, 모터의 속도(회전수)를 알 수 없으므로, N0는 어디까지나 동작을 설명하기 위한 값이다.
다음으로, 스텝(S110)에서는, 선회용 전동 모터(25)의 센서리스 구동 제어가 개시된다. 이때는, 선회용 전동 모터(25)로의 토크 지령으로서는 0 신호가 입력되어 있다.
다음으로, 스텝(S112)에서는, 선회용 전동 모터(25)의 속도를 검출하고, 이 속도가 소정 속도 N1 이상인지의 여부를 판단한다. 이 스텝(S112)에서 아니오라고 판단된 경우에는, 스텝(S114)으로 진행하고, 선회용 유압 모터(27) 단독에 의한 가속이 계속되어, 스텝(S112)에 있어서, 예라고 판단될 때까지 반복된다.
스텝(S112)에서 예라고 판단된 경우에는, 스텝(S116)으로 옮겨진다. 스텝(S116)에서는, 선회용 전동 모터(25)로의 토크의 인가가 개시된다. 구체적으로는, 도 6에 나타내는 시각 T2에 있어서, 선회용 전동 모터(25)의 속도가, 선회용 전동 모터 구동 개시 기준 속도인 N1에 도달하면, 선회용 전동 모터(25)로의 토크 인가가 개시되고, 또한 다음 스텝(S118)에서 선회용 유압 모터(27)와 선회용 전동 모터(25)의 합계 토크에 의해 선회체(2)가 구동된다. 또한 도 6에 있어서, 점선은 선회용 전동 모터(25)의 토크를, 실선은 선회용 유압 모터(27)와 선회용 전동 모터(25)의 합계 토크를 나타낸다. 또한, 기준 속도 N1은 도 7에 나타내는 바와 같이, 선회용 전동 모터(25)의 로터 자극 위치를 산출 가능하게 하는 모터 유기 전압을 발생시키는데 필요한 모터 속도 N0보다도 클 필요가 있다. 가속 시에 있어서는, 기준 속도 N1 이상으로, 선회용 유압 모터(27)와 선회용 전동 모터(25)의 합계 토크에 의해 선회체의 구동이 행해진다. 자극 위치 산출 후이므로, 이 기준 속도 N1은 N0와 상이하고, 전동 모터 제어 컨트롤러(60)는 알 수 있는 값이다.
다음으로, 감속 시의 스텝(S200)에서는, 선회 감속 지령이 입력된다. 구체적으로는, 예를 들어 선회체(2)가 회전 상태에 있어서, 작업자에 의해 선회 조작 레버(81)의 감속 조작 지령 신호가 입력된다.
다음으로, 스텝(S202)에서는, 선회용 전동 모터(25)의 속도를 검출하고, 이 속도가 소정 속도 N1 이하인지의 여부를 판단한다. 이 스텝(S202)에서 아니오라고 판단된 경우에는, 스텝(S204)으로 진행하고, 선회용 유압 모터(27)와 선회용 전동 모터(25)의 합계 토크에 의한 감속이 계속되어, 스텝(S204)에 있어서, 예라고 판단될 때까지 반복된다. 이때, 선회용 전동 모터(25)는 발전 동작을 행하고, 선회체(2)의 운동 에너지가 전기 에너지로서 회생되고 있다.
스텝(S202)에서 예라고 판단된 경우에는, 스텝(S206)으로 옮겨진다. 스텝(S206)에서는, 선회용 전동 모터(25)로의 토크 지령으로서 0 신호가 입력되고, 선회용 유압 모터(27) 단독의 감속이 개시된다.
다음으로, 스텝(S208)에서는, 선회용 전동 모터(25)의 센서리스 구동 제어가 종료되고, 스텝(S210)의 선회용 유압 모터(27) 단독에 의한 감속이 계속되어, 최종적으로는, 스텝(S212)에 의해 선회체(2)의 선회가 정지한다. 구체적으로는, 도 6에 나타내는 시각 T5에 있어서, 기준 속도 N1까지 감속하면, 선회용 전동 모터(25)로의 토크 지령은 제로로 되고, 선회용 전동 모터(25)의 토크가 제로가 된 후에는, 선회용 유압 모터(27)만의 토크로 선회체(2)를 정지시킨다. 선회용 전동 모터(25)는 정지 부근이 되면 속도가 N0 이하로 되고(시각 T6), 자극 위치를 모르게 되어, 제어되지 않는 상태로 된다.
상술한 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 선회용 유압 모터(27)와 선회용 전동 모터(25)를 양쪽 탑재하고, 합계 토크에 의해 선회체(2)를 구동하는 건설 기계에 있어서, 선회용 전동 모터(25)의 로터의 자극 위치를 검출하기 위한 회전 위치 센서를 장비하지 않고, 선회용 유압 모터(27)의 토크로만 선회체(2)를 구동한 상태에서 전동 모터 제어 컨트롤러(60)가 선회용 전동 모터(25)에 발생하는 유기 전압을 도입하고, 얻어진 유기 전압 파형으로부터, 로터의 자극 위치를 산출하고, 선회용 전동 모터(25)를 센서리스 구동함으로써, 선회용 유압 모터(27)와 선회용 전동 모터(25)를 병용하는 선회체 구동 장치를 구비한 건설 기계를, 높은 신뢰성을 가지고, 또한 저렴하게 실현할 수 있다. 이에 의해, 종래의 유압 액추에이터 구동의 건설 기계에 익숙해진 작업자에게도 위화감 없이 조작 가능하고, 또한, 선회용 전동 모터(25)에 의한 에너지 효율 향상 효과 및 에너지 회생 효과에 의해, 에너지 절약화를 실현할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 다른 예를 도 7을 사용하여 설명한다. 또한, 도 7에 있어서, 도 1 내지 도 6에 도시하는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분 또는 상당하는 부분이므로, 그 부분의 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 있어서는, 선회용 전동 모터(25)와 선회용 유압 모터(27)의 축이 기어 박스(130) 내에서 결합되고, 그 회전이 피니언 샤프트로 유도되어 있다. 이 경우, 기어 박스 내의 도시되지 않은 기어의 기어비에 의해, 선회용 전동 모터(25)의 회전수와 선회용 유압 모터(27)의 회전수를 변하게 할 수 있다. 이러한 선회체 구동 장치를 사용해도, 선회용 유압 모터(27)가 회전하면, 선회용 전동 모터(25)도 회전하게 되고, 선회용 유압 모터(27)의 토크로만 선회체(2)를 구동한 상태에서 선회용 전동 모터(25)에 발생하는 유기 전압에 의해, 자극 위치를 산출하는 것이 가능해진다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 일 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 선회체 구동 장치의 기어비의 설정에 의해, 선회용 전동 모터(25)의 회전수를 선회용 유압 모터(27)의 회전수보다도 높아지도록 설정하는 것이 가능해진다. 이렇게 설정함으로써, 선회체(2)의 회전수가 비교적 낮은 경우라도, 선회용 전동 모터(25)의 검출 회전수가 높아져, 선회체(2)의 저속 회전 영역으로부터 선회용 전동 모터(25)의 자극 위치가 산출 가능해진다. 이 결과, 선회용 전동 모터(25)의 센서리스 구동 가능 영역을 확장할 수 있어, 건설 기계의 신뢰성이 향상된다.
다음으로, 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 또 다른 예를 도 8 및 도 9를 사용하여 설명한다. 도 8은 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 또 다른 예를 도시하는 측면도, 도 9는 본 발명의 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 유압 전동 선회체 구동 장치의 또 다른 예의 배치 상태를 도시하는 평면 개략도이다. 또한, 도 8 및 도 9에 있어서, 도 1 내지 도 7에 도시하는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분 또는 상당하는 부분이므로, 그 부분의 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 있어서는, 유압 선회체 구동 장치(134)와 전동 선회체 구동 장치(144)가 별개로 선회 프레임(21)에 설치되지만, 선회용 전동 모터(25)의 피니언(133)과 선회용 유압 모터(27)의 피니언(143)이 내륜(93)의 기어로 결합되므로 역시, 선회용 유압 모터(27)의 토크와 선회용 전동 모터(25)의 토크의 합계로 선회체(2)는 구동되고, 선회용 유압 모터(27)의 토크로만 선회체(2)를 구동한 상태에서 선회용 전동 모터(25)에 발생하는 유기 전압에 의해, 선회용 전동 모터(25)의 자극 위치를 산출하는 것이 가능하다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 일 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 있어서는, 선회 조작 레버(81)로부터의 조작 지령 신호를 선회 제어용의 컨트롤러(80)에 입력하여, 선회 제어용의 컨트롤러(80)로부터 컨트롤 밸브(42)에 선회 구동 지령을 출력하는 예를 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 선회 조작 레버(81)로부터 선회 제어용의 컨트롤러(80)를 통하지 않고, 직접 컨트롤 밸브(42)에 선회 구동 지령을 출력하여, 선회용 유압 모터(27)를 구동해도 된다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 있어서는, 건설 기계로서 유압 셔블을 예로 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 유압 셔블 이외의 선회체를 갖는 건설·작업 기계 전반에 대하여 적용할 수 있다.
1 : 주행체
2 : 선회체
21 : 선회 프레임
22 : 엔진
23 : 어시스트 발전 모터
24 : 축전 장치
25 : 선회용 전동 모터
26 : 감속 기구
27 : 선회용 유압 모터
3 : 프론트 장치
31 : 붐
33 : 아암
35 : 버킷
41 : 유압 펌프
42 : 컨트롤 밸브
55 : 전동 모터 제어 유닛
60 : 전동 모터 제어 컨트롤러
80 : 선회 제어용의 컨트롤러
81 : 선회 조작 레버
90 : 기어 하우징
91 : 샤프트 하우징
92 : 둥근 몸통체
93 : 내륜
94 : 외륜
95 : 구동 피니언
96 : 피니언 샤프트

Claims (5)

  1. 원동기(22)와, 상기 원동기(22)에 의해 구동되는 유압 펌프(41)와, 상기 유압 펌프(41)로부터의 압유에 의해 구동되는 유압 모터(27)와, 전동 모터(25)와, 상기 전동 모터(25)와의 사이에서 전력의 수수를 행하는 축전 장치(24)와, 상기 전동 모터(25)의 구동 제어를 행하는 전동 모터 제어 컨트롤러(60)와, 상기 전동 모터(25)와 상기 유압 모터(27)의 동력을 선회체(2)에 전달하는 감속 기구(26)로 이루어지는 건설 기계에 있어서,
    상기 전동 모터 제어 컨트롤러(60)는, 상기 전동 모터(25)의 유기 전압 파형을 검출하는 유기 전압 파형 검출 수단과, 상기 유압 모터(27)의 토크로만 상기 선회체(2)를 구동한 상태에서, 상기 유기 전압 파형 검출 수단으로부터의 유기 전압 파형을 도입하고, 얻어진 유기 전압 파형으로부터 회전 위치 센서를 통하지 않고 상기 전동 모터(25)의 로터의 자극 위치를 산출하는 자극 위치 산출 수단을 구비한 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선회체(2)의 선회 속도가 낮고, 상기 전동 모터(25)의 스테이터에 대한 로터의 자극 위치가 불분명할 때는, 상기 선회체(2)를 선회 조작하는 선회 조작 레버(81)의 조작에 의해, 상기 유압 펌프(41)로부터의 압유를 상기 유압 모터(27)에 공급하여 상기 선회체(2)를 구동하는 컨트롤 밸브(42)에, 선회 구동 지령을 출력하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전동 모터 제어 컨트롤러(60)는,
    상기 전동 모터(25)가, 로터의 자극 위치를 산출 가능한 회전수에 도달하면, 상기 로터의 자극 위치를 유기 전압 파형으로부터 산출하고, 상기 전동 모터(25)를 구동 제어하는 센서리스 구동 제어 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  4. 제3항에 있어서, 상기 센서리스 구동 제어 수단은,
    상기 전동 모터(25)의 속도가 증속하여 설정값에 도달하면, 상기 전동 모터(25)로의 토크 인가를 개시하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  5. 제3항에 있어서, 상기 센서리스 구동 제어 수단은,
    상기 전동 모터(25)의 속도가 감속하여 설정값에 도달하면, 상기 전동 모터(25)로의 토크 인가를 정지하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
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