KR20130057464A

KR20130057464A - 전동 모터의 제어 장치 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20130057464A
Application number: KR1020137004600A
Authority: KR
Inventors: 다다시 가와구치; 가즈키 다케하라; 준 모리나가
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2013-05-31
Also published as: US20140084831A1; WO2012157382A1; CN103081350A; US9654038B2; JP2012244730A; JP5193333B2; CN103081350B; KR101521361B1; DE112012000073T5

Abstract

가속성도 포함한 작업 조작상의 위화감을 저감시키기 위해, 작업 모드를 설정하는 모드 전환부와, 설정되는 작업 모드에 의해 미리 설정되는 전동 모터의 최대 출력을 취득하는 작업 모드·선회 최대 출력 변환 테이블 (TB11) 과, 전동 모터의 회전 속도를 검출하는 회전 센서와, 상기 회전 속도와 상기 최대 출력을 기초로 토크 제한값 (Tlim) 을 연산하는 토크 제한값 연산부 (105) 와, 상기 전동 모터의 가속시에 토크 제한값 (Tlim) 에 의해 상기 전동 모터의 토크를 제한하는 토크 제한 수단을 구비한다.

Description

전동 모터의 제어 장치 및 그 제어 방법{ELECTRIC MOTOR CONTROL DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은, 유압 셔블, 불도저, 덤프 트럭, 휠 로더 등의 건설 기계를 포함하는 작업 기계에 사용될 수 있는 전동 모터의 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

종래부터 작업 기계에서는, 작업 효율을 중시한 파워 모드 (P 모드) 나 연료 소비율을 중시한 이코노미 모드 (E 모드) 등의 작업 모드를 작업 기계의 오퍼레이터의 의사로 설정할 수 있는 것이 있다. 한편, 작업 기계의 선회체나 주행체 등을 동작시키기 위해 전동 모터를 구비한 하이브리드 작업 기계는, 전동 모터가 전기 에너지로 구동되는 전기 구동계와 엔진에 직결된 유압 펌프의 작동유를 사용하여 유압 실린더나 유압 모터를 동작시켜 작업기나 주행 장치 등을 구동시키는 유압 구동계가 혼재 (混載) 된 구조를 갖고 있다. 이 때문에, 작업 모드가 설정되어 엔진에 출력 제한이 가해지고 있음에도 불구하고, 전동 모터에 작업 모드에 대응한 출력 제한이 가해지지 않으면, 하이브리드 작업 기계의 오퍼레이터는, 유압 구동계만이 탑재된 구조의 작업 기계의 조작감과의 차이를 조작상의 위화감으로서 느낄 우려가 있다. 또, 작업 모드가 설정되어 엔진에 출력 제한이 가해져 있음에도 불구하고, 전동 모터에 작업 모드에 대응한 출력 제한이 가해지지 않으면 전기 구동계의 동작 속도와 유압 구동계의 동작 속도에 부조화가 발생하고, 하이브리드 작업 기계의 오퍼레이터는 이것도 위화감으로서 느낀다.

이와 같은 조작상의 위화감을 없애기 위해, 설정된 작업 모드에 따라 전동 모터에 대해서도 토크 제한을 가하는 것이 있다. 예를 들어, 하이브리드 유압 셔블의 상부 선회체를 선회 구동시키는 선회 전동 모터에 대해, 작업 모드에 따른 토크 제한을 실시하는 것이 있으며, 도 7 은 이와 같은 하이브리드 유압 셔블의 경우에 있어서의 선회 회전수에 대해 취할 수 있는 선회 토크를 나타내는 토크선도를 나타내고 있다. 곡선 (LP1) 은, 선회 전동 모터가 출력할 수 있는 최대 토크선으로, P 모드가 설정된 경우의 최대 토크선이다. 곡선 (LE1) 은, E 모드가 설정된 경우의 최대 토크선이다. 이와 같은 토크 제한에서는, E 모드가 설정된 경우, 소정의 선회 회전수 이하의 최대 토크를 P 모드가 설정된 경우의 최대 토크보다 작게 하는 제한을 실시하고 있다.

일본 공개특허공보 2009-68197호

그러나, 도 7 에 나타낸 E 모드 설정시의 토크 제한에서는, 최대 토크가 작게 제한되고 있기 때문에, 상부 선회체가 저속으로 선회할 때의 선회력이 저하되므로 작업성이 악화된다. 구체적으로는, 상부 선회체가 정지 (靜止) 한 상태에서 상부 선회체를 선회시켜, 작업기의 버킷 옆에서 쌓아올린 흙을 고르게 하는 작업을 실시하는 경우, 높은 선회력이 얻어지지 않아 작업성이 악화된다.

이 문제점을 해결하기 위해 도 8 에 나타내는 바와 같이, E 모드 설정시, 한정된 저속역의 선회 회전수에서의 토크 제한을 없애 P 모드와 동일한 토크가 얻어지도록 한 곡선 (LE2) 으로 토크 제한하는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 이 경우, P 모드와 E 모드의 최대 토크에 차이가 있는 선회 회전수 이외의 선회 회전수에서의 선회 전동 모터의 출력 제한은, P 모드와 E 모드에 차이가 없고, P 모드 혹은 E 모드가 설정된 경우에 있어서의 전기 구동계의 가속성과 유압 구동계의 가속성에 차이가 발생하여, 오퍼레이터에게 조작상의 위화감을 여전히 부여한다는 문제점이 생각된다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 작업 기계에 있어서, 가속성도 포함한 조작상의 위화감을 저감시킬 수 있는 전동 모터의 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 서술한 과제를 해결하고 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 전동 모터의 제어 장치는, 가동 상태를 설정하는 가동 상태 설정 수단과, 설정되는 상기 가동 상태에 따라 미리 설정되는 전동 모터의 최대 출력을 취득하는 최대 출력 취득 수단과, 전동 모터의 회전 속도를 검출하는 회전 속도 검출 수단과, 상기 회전 속도와 상기 최대 출력을 기초로 토크 제한값을 연산하는 토크 제한값 연산 수단과, 상기 전동 모터의 가속시에 상기 토크 제한값에 의해 상기 전동 모터의 토크를 제한하는 토크 제한 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 전동 모터의 제어 장치는, 상기 발명에 있어서, 상기 토크 제한 수단은, 상기 전동 모터의 감속시에, 설정되는 상기 가동 상태에 관계없이 감속을 위한 토크 제한값으로 상기 전동 모터의 토크를 제한하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 전동 모터의 제어 장치는, 상기 발명에 있어서, 상기 토크 제한 수단은, 소정 회전 속도 이하에서는, 설정되는 상기 가동 상태에 관계없이 최대 토크를 출력 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 전동 모터의 제어 장치는, 상기 발명에 있어서, 상기 가동 상태 설정 수단은 작업 모드 선택부 및/또는 스로틀 다이얼인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 전동 모터의 제어 방법은, 가동 상태를 설정하는 가동 상태 설정 단계와, 설정되는 상기 가동 상태에 따라 미리 설정되는 전동 모터의 최대 출력을 취득하는 최대 출력 취득 단계와, 전동 모터의 회전 속도를 검출하는 회전 속도 검출 단계와, 상기 회전 속도와 상기 최대 출력을 기초로 토크 제한값을 연산하는 토크 제한값 연산 단계와, 상기 전동 모터의 가속시에 상기 토크 제한값 에 의해 상기 전동 모터의 토크를 제한하는 토크 제한 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 전동 모터의 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 토크 제한 단계는, 상기 전동 모터의 감속시에, 설정되는 상기 가동 상태에 관계없이 감속을 위한 토크 제한값으로 상기 전동 모터의 토크를 제한하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 전동 모터의 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 토크 제한 단계는, 소정 회전 속도 이하에서는 상기 토크 제한값의 제한에 관계없이 최대 토크를 출력 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 전동 모터의 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 가동 상태 설정 단계는, 소정 회전 속도 이하에서는, 설정되는 상기 가동 상태에 관계없이 최대 토크를 출력 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 설정되는 가동 상태에 따라 미리 설정되는 전동 모터의 최대 출력을 취득하고, 전동 모터의 회전 속도와 취득된 상기 최대 출력을 기초로 토크 제한값을 연산하도록 하고 있기 때문에, 작업 기계를 조작할 때 가속성도 포함한 조작상의 위화감을 저감시킬 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 하이브리드 유압 셔블의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타낸 하이브리드 유압 셔블의 제어계의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3 은, 컨트롤러에 의한 선회 모터에 대한 토크 제한의 개요를 나타내는 토크선도이다.
도 4 는, 컨트롤러에 의한 선회 모터에 대한 토크 제한 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 컨트롤러에 의한 전동 모터에 대한 토크 제한 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 본 발명의 실시형태 3 에 관련된 컨트롤러에 의한 전동 모터에 대한 토크 제한 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 종래의 전동 모터에 대한 토크 제한의 일례를 나타내는 토크선도이다.
도 8 은, 종래의 전동 모터에 대한 토크 제한의 다른 일례를 나타내는 토크선도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 설명한다.

(실시형태 1)

[전체 구성]

먼저, 도 1 및 도 2 는, 작업 기계로서의 일례인 하이브리드 유압 셔블 (1) 의 전체 구성을 나타내고 있다. 이 하이브리드 유압 셔블 (1) 은, 차량 본체 (2) 와 작업기 (3) 를 구비하고 있다. 차량 본체 (2) 는 하부 주행체 (4) 와 상부 선회체 (5) 를 갖는다. 하부 주행체 (4) 는 1 쌍의 주행 장치 (4a) 를 갖는다. 각 주행 장치 (4a) 는 크롤러 트랙 (4b) 을 갖는다. 각 주행 장치 (4a) 는 우주행 모터와 좌주행 모터 (주행 모터 (21)) 에 의해 크롤러 트랙 (4b) 을 구동시킴으로써 하이브리드 유압 셔블 (1) 을 주행시킨다.

상부 선회체 (5) 는, 하부 주행체 (4) 상에 선회 가능하게 형성되고, 선회 모터 (24) (전동 모터) 가 구동됨으로써 선회한다. 또, 상부 선회체 (5) 에는 운전실 (6) 이 형성된다. 상부 선회체 (5) 는, 연료 탱크 (7) 와 작동유 탱크 (8) 와 엔진실 (9) 과 카운터 웨이트 (10) 를 갖는다. 연료 탱크 (7) 는, 엔진 (17) 을 구동시키기 위한 연료를 저류한다. 작동유 탱크 (8) 는, 유압 펌프 (18) 로부터 붐 실린더 (14) 등의 유압 실린더나 주행 모터 (21) 등의 유압 기기로 토출되는 작동유를 저류한다. 엔진실 (9) 은, 엔진 (17) 이나 유압 펌프 (18) 등의 기기를 수납한다. 카운터 웨이트 (10) 는 엔진실 (9) 의 후방에 배치된다.

작업기 (3) 는, 상부 선회체 (5) 의 전부 (前部) 중앙 위치에 장착되고, 붐 (11), 아암 (12), 버킷 (13), 붐 실린더 (14), 아암 실린더 (15) 및 버킷 실린더 (16) 를 갖는다. 붐 (11) 의 기단부는 상부 선회체 (5) 에 회전 가능하게 연결된다. 또, 붐 (11) 의 선단부는 아암 (12) 의 기단부에 회전 가능하게 연결된다. 아암 (12) 의 선단부는 버킷 (13) 에 회전 가능하게 연결된다. 붐 실린더 (14), 아암 실린더 (15) 및 버킷 실린더 (16) 는, 유압 펌프로부터 토출된 작동유에 의해 신축 동작하는 유압 실린더이다. 붐 실린더 (14) 는 붐 (11) 을 요동 동작시킨다. 아암 실린더 (15) 는 아암 (12) 을 요동 동작시킨다. 버킷 실린더 (16) 는 버킷 (13) 을 요동 동작시킨다.

도 2 에 있어서, 하이브리드 유압 셔블 (1) 은, 구동원으로서의 엔진 (17), 유압 펌프 (18), 발전기 (19) 를 갖는다. 엔진 (17) 으로서 디젤 엔진이 사용되고, 유압 펌프 (18) 로서 가변 용량형 유압 펌프 (예를 들어 사판식 유압 펌프) 가 사용된다. 엔진 (17) 의 출력축에는 유압 펌프 (18) 및 발전기 (19) 가 기계적으로 결합되어 있고, 엔진 (17) 을 구동시킴으로써 유압 펌프 (18) 및 발전기 (19) 가 구동된다. 유압 구동계로는, 컨트롤 밸브 (20), 붐 실린더 (14), 아암 실린더 (15), 버킷 실린더 (16), 주행 모터 (21) 등을 갖고, 유압 펌프 (18) 가 유압원이 되어 이들을 구동시킨다.

전동 구동계는, 커패시터 (22), 인버터 (23) 및 선회 모터 (24) 를 구비한다. 발전기 (19) 및 커패시터 (22) 가 선회 모터 (24) 의 전력원이 되어 상부 선회체 (5) 를 선회시킨다. 즉, 선회 모터 (24) 는, 발전기 (19) 또는 커패시터 (22) 로부터 공급되는 전기 에너지에 의해 역행 작용함으로써 상부 선회체 (5) 를 선회 가속시키고, 상부 선회체 (5) 가 선회 감속될 때에 선회 모터 (24) 는 회생 작용하여, 전기 에너지를 커패시터 (22) 에 공급 (충전) 한다. 이 발전기 (19) 로는, 예를 들어 SR (스위치드 릴럭턴스) 모터가 사용된다. 발전기 (19) 는, 엔진 (17) 의 출력축에 기계적에 결합되어 있고, 엔진 (17) 의 구동에 의해 발전기 (19) 의 로터축을 회전시키게 된다. 커패시터 (22) 는, 예를 들어, 전기 이중층 커패시터가 사용되고 있다. 커패시터 (22) 대신에 니켈수소 배터리나 리튬 이온 배터리여도 된다. 선회 모터 (24) 에는 회전 센서 (25) 가 형성되고, 선회 모터 (24) 의 회전 속도를 검출하고, 전기 신호로 변환하여 인버터 (23) 내에 형성된 하이브리드 컨트롤러 (23a) 에 출력한다. 선회 모터 (24) 로는, 예를 들어 매립 자석 동기 전동기가 사용된다. 회전 센서 (25) 로서, 예를 들어 리졸버나 로터리 인코더 등이 사용된다. 또한, 하이브리드 컨트롤러 (23a) 는, CPU (수치 연산 프로세서 등의 연산 장치) 나 메모리 (기억 장치) 등으로 구성되어 있다. 하이브리드 컨트롤러 (23a) 는, 발전기 (19) 나 선회 모터 (24), 커패시터 (22) 및 인버터 (23) 에 구비된 서미스터나 열전쌍 등의 온도 센서에 의한 검출값의 신호를 받아 커패시터 (22) 등의 각 기기의 과승온을 관리함과 함께, 커패시터 (22) 의 충방전 제어나 발전기 (19) 에 의한 발전·엔진의 어시스트 제어, 선회 모터 (24) 의 역행·회생 제어를 실시한다.

유압 구동계 및 전동 구동계는, 차량 본체 (2) 에 형성된 운전실 (6) 에 형성되는 작업기 레버, 주행 레버, 선회 레버 등의 조작 레버 (26) 의 조작에 따라 구동된다. 조작 레버 (26) 의 조작량은 레버 조작량 검출부 (27) 에 의해 전기 신호로 변환된다. 레버 조작량 검출부 (27) 는 압력 센서에 의해 구성된다. 조작 레버의 조작에 따라 발생하는 파일럿 유압을 압력 센서가 검지하고, 압력 센서가 출력하는 전압 등을 레버 조작량으로 환산함으로써 레버 조작량을 구한다. 또한, 조작 레버 (26) 가 전기식 레버인 경우에는, 레버 조작량 검출부 (27) 는 퍼텐쇼미터 등의 전기적 검출 수단에 의해 구성되고, 레버 조작량에 따라 발생하는 전압 등을 레버 조작량으로 환산하여 레버 조작량을 구한다.

운전실 (6) 내에는, 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) (28) 및 모드 전환부 (29) 가 형성된다. 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) (28) 은, 엔진 (17) 으로의 연료 공급량을 설정하기 위한 스위치로, 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) (28) 의 설정값은 전기 신호로 변환되어 엔진 컨트롤러 (30) 에 출력된다.

엔진 컨트롤러 (30) 는, CPU (수치 연산 프로세서) 등의 연산 장치나 메모리 (기억 장치) 로 구성된다. 엔진 컨트롤러 (30) 는, 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) (28) 의 설정값에 기초하여 제어 지령의 신호를 생성하고, 커먼 레일 제어부 (32) 가 제어 신호를 수신하여 엔진 (17) 으로의 연료 분사량을 조정한다. 즉, 엔진 (17) 은, 커먼 레일식에 의한 전자 제어가 가능한 엔진으로, 연료 분사량을 적절히 컨트롤함으로써 목적으로 하는 출력을 내는 것이 가능하고, 어느 순간의 엔진 회전수에 있어서의 출력 가능한 토크를 자유롭게 설정할 수 있다.

모드 전환부 (29) 는, 하이브리드 유압 셔블 (1) 의 작업 모드를 파워 모드 (P 모드) 또는 이코노미 모드 (E 모드) 로 설정하는 부분으로, 예를 들어 운전실 (6) 중에 형성되는 조작 버튼이나 스위치, 또는 터치 패널로 구성되고, 하이브리드 유압 셔블 (1) 의 오퍼레이터가 그것들의 조작 버튼 등을 조작함으로써 작업 모드를 전환할 수 있다. 파워 모드란, 큰 작업량을 유지하면서 연비를 억제한 엔진 제어 및 펌프 제어를 실시하는 작업 모드이고, 이코노미 모드란, 더욱 연비를 억제하면서 경부하 작업에서 작업기 (3) 의 동작 속도를 확보하도록 엔진 제어 및 펌프 제어를 실시하는 작업 모드이다. 이 모드 전환부 (29) 에 의한 설정 (작업 모드의 전환) 이 이루어지면, 설정에 따른 전기 신호가 엔진 컨트롤러 (30), 펌프 컨트롤러 (33), 하이브리드 컨트롤러 (23a) 에 출력된다. 또한, 파워 모드에서는, 엔진 (17) 의 엔진 출력 (회전수 및 출력 토크) 이 비교적 높은 영역에서 엔진 (17) 의 출력 토크와 유압 펌프 (18) 의 흡수 토크를 매칭시킨다. 또, 이코노미 모드에서는, 파워 모드인 경우와 비교하여 낮은 엔진 출력에서 매칭시킨다.

펌프 컨트롤러 (33) 는, 엔진 컨트롤러 (30), 모드 전환부 (29), 레버 조작량 검출부 (27) 로부터 출력된 신호를 수신하여, 유압 펌프 (18) 의 사판각을 경도 제어하여 유압 펌프 (18) 로부터 토출되는 작동유의 토출량을 조정하기 위한 제어 지령의 신호를 생성한다. 또한, 펌프 컨트롤러 (33) 에는, 유압 펌프 (18) 의 사판각을 검출하는 사판각 센서 (18a) 로부터의 신호가 입력된다. 사판각 센서 (18a) 가 사판각을 검출함으로써, 유압 펌프 (18) 의 펌프 용량을 연산할 수 있다. 컨트롤 밸브 (20) 내에는, 유압 펌프 (18) 의 펌프 토출 압력을 검출하기 위한 펌프압 검출부 (20a) 가 형성되어 있다. 검출된 펌프 토출 압력은 전기 신호로 변환되어 펌프 컨트롤러 (33) 에 입력된다. 또한, 엔진 컨트롤러 (30) 와 펌프 컨트롤러 (33) 와 하이브리드 컨트롤러 (23a) 는, 서로 정보의 수수가 실시되도록 CAN (Controller Area Network) 과 같은 차내 LAN 으로 접속되어 있다.

[토크 제한의 개요]

다음으로, 선회 모터 (24) 에 대한 토크 제한의 개요에 대해 설명한다. 도 3 은, 엔진 컨트롤러 (30) 에 의한 선회 모터 (24) 에 대한 본 실시형태 1 에 의한 토크 제한의 개요를 나타내는 것으로, 선회 회전수에 대한 선회 토크의 제한 특성을 나타내는 토크선도이다. 도 3 에 있어서, 역행 (가속) 시의 선회 토크는 정 (正) 으로 나타내고, 회생 (감속) 시의 선회 토크는 부 (負) 로 나타내고 있다. 모드 전환부 (29) 에 의해 P 모드가 설정되면, 선회 모터 (24) 가 출력 가능한 최대의 토크를 나타내는 토크 제한 곡선 (LP) 으로 토크 제한된다. 한편, 모드 전환부 (29) 에 의해 E 모드가 설정되면, 이 E 모드에 대해 미리 설정된 선회 최대 출력의 출력 제한을 실시하는 토크 제한 곡선 (LE) 으로 역행 (가속) 시의 토크 제한을 실시한다. 즉, 작업 모드의 설정이 이루어지면, 이 작업 모드에 대한 선회 최대 출력에 대응하는 등마력 곡선으로 토크 제한을 실시한다. 따라서, 작업 모드에 대한 선회 최대 출력이 작아진다는 것은, 선회 모터 (24) 의 등마력 곡선은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 전체적으로 좌측 하단으로 이행된 토크 제한 곡선이 된다. 이 결과, 유압 구동계에 대응한 가속성을 가진 선회 작업이 가능해져, 작업 조작상의 위화감이 없어진다.

한편, 등마력 곡선에 대응한 토크 제한 곡선 (LP 혹은 LE) 으로 토크 제한을 실시하는데, 선회 모터 (24) 의 선회 회전수가 낮은 영역 (R1) 에서는 최대 토크 (TPmax) 를 내도록 함으로써, 선회 작업상, 역부족감과 같은 지장이 발생하지 않는다. 또한, E 모드가 설정된 경우, 선회 회전수가 높은 영역에서는 낼 수 있는 토크가 작아지지만, 선회 회전수가 높은 영역에서는 토크가 낮아도 선회 회전수가 높기 때문에, 선회 작업상의 출력은 충분히 얻을 수 있다. 또, 어느 작업 모드가 설정되어도, 회생 (감속) 시에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이 토크 제한 곡선은 하나이며, 토크 제한에 차이가 없도록 하고 있다. 이 결과, 선회 모터 (24) 의 정지 성능을 충분히 발휘할 수 있다.

[토크 제한의 상세]

다음으로, 도 4 를 참조하여 선회 모터 (24) 에 대한 구체적인 토크 제한 제어에 대해 설명한다. 도 4 에 있어서, 먼저, 엔진 컨트롤러 (30) 에는, 조작 레버 (26) 에 의한 선회 레버 스트로크 (조작 레버 (26) 의 조작량) 와, 회전 센서 (25) 에 의해 검출되는 선회 모터 (24) 의 선회 모터 회전수와, 모드 전환부 (29) 에 의해 설정된 작업 모드를 나타내는 전기 신호가 직접 혹은 하이브리드 컨트롤러 (23a) 를 통하여 입력된다.

선회 레버 스트로크는, 선회 레버 스트로크·선회 목표 회전수 변환 테이블 (TB1) 에 입력된다. 선회 레버 스트로크·선회 목표 회전수 변환 테이블 (TB1) 은, 미리 설정되어 있는 선회 레버 스트로크와 선회 목표 회전수의 관계를 기초로, 입력된 선회 레버 스트로크에 대응하는 선회 목표 회전수 (Sm) 를 연산기 (101) 에 출력한다. 연산기 (101) 는, 선회 목표 회전수 (Sm) 로부터 회전 센서 (25) 에 의해 검출된 현재의 선회 모터 회전수 (Sn) 를 감산하고, 이 감산한 회전수 편차 (ΔS) 를 PID 제어부 (102) 에 입력한다. PID 제어부 (102) 는, 이 회전수 편차 (ΔS) 로부터 토크 (Ta) 를 연산한다. 이 토크 (Ta) 는, 연산기 (103) 에 의해 게인 (K) 이 승산되어 최소값 선택부 (MIN 선택) (106) 에 출력된다. 여기서, 게인 (K) 은, 정부 판정부 (104) 에 의해 선회 모터 회전수 (Sn) 가 정이면 1 로 설정되고, 부이면 －1 로 설정된다.

한편, 모드 전환부 (29) 에 의해 설정된 작업 모드를 나타내는 신호는, 작업 모드·선회 최대 출력 변환 테이블 (TB11) 에 입력된다. 작업 모드·선회 최대 출력 변환 테이블 (TB11) 은, 각 작업 모드에 대해 미리 설정되어 있는 선회 최대 출력 (Plim) 을 토크 제한값 연산부 (105) 에 출력한다. 토크 제한값 연산부 (105) 는, 입력되는 선회 최대 출력 (Plim) 과 선회 모터 회전수 (Sn) 의 절대값을 기초로, 토크 제한값 (Tlim) 을 다음 식에 의해 연산한다.

Tlim ＝ (Plim × 1000)/((2π/60) × Sn)

이 연산된 토크 제한값 (Tlim) 은 최소값 선택부 (106) 에 입력된다.

최소값 선택부 (106) 는, 연산기 (103) 로부터 입력되는 토크 (선회 목표 토크) 와 토크 제한값 연산부 (105) 로부터 입력되는 토크 제한값 (Tlim) 중 작은 쪽을 선택하여 최소값 선택부 (MIN 선택) (107) 에 출력한다. 최소값 선택부 (107) 는, 최소값 선택부 (106) 로부터 입력된 토크와 미리 설정되는 고정값인 모터 역행시 최대 토크 (TPmax) 중 작은 쪽을 최대값 선택부 (MAX 선택) (108) 에 출력한다. 이 최소값 선택부 (107) 는, 역행 특히 선회 회전수가 낮은 영역 (R1) 의 경우에 있어서, 모터 역행시 최대 토크 (TPmax) 보다 정(正)의 측으로 큰 값이 되지 않는 토크가 출력되도록 작용한다.

최대값 선택부 (108) 는, 최소값 선택부 (107) 로부터 입력되는 토크와 미리 설정되는 고정값인 모터 회생시 최대 토크 (TMmax) (부(負)의 값) 중 큰 쪽을 선택하여 출력한다. 이 최대값 선택부 (108) 는, 모터 회생시 최대 토크 (TMmax) 가 부의 값이기 때문에, 역행시에는 최소값 선택부 (107) 로부터 입력되는 토크가 최대값으로서 선택되지만, 회생시에는 연산기 (103) 에 의해 부의 값의 토크가 출력되기 때문에, 최대값 선택부 (108) 에 있어서, 모터 회생시 최대 토크 (TMmax) 와의 비교에 의해 모터 회생시 최대 토크 (TMmax) 보다 부의 측으로 작은 값이 되지 않는 토크가 출력되게 된다. 요컨대, 선회 레버 스트로크에 따라, 모터 회생시 최대 토크 (TMmax) (선회 토크의 하한) 의 제한 범위에서 선회 모터 토크 지령 (Tc) 이 출력된다. 또, 작업 모드가 어느 설정이어도, 회생시에는 토크 제한값 연산부 (105) 에서 구해진 토크 제한값 (Tlim) 은 정의 값이고, 한편, 연산기 (103) 에 정부 판정부 (104) 로부터 게인 (K) 이 －1 로서 부여되어 PID 제어부 (102) 로부터 출력되는 토크 (Ta) 가 부의 값이 되는 점에서, 결과적으로 최소값 선택부 (106) 에서는 그 부의 값의 토크 (Ta) 가 선택된다. 따라서, 회생 (감속) 시에는, 작업 모드에 관계없이 선회 모터 지령값 (Tc) 이 구해지고 출력되게 된다. 그리고, 이 최대값 선택부 (108) 로부터 출력된 토크에 대해 연산기 (109) 가 선회 모터 회전수 (Sn) 의 정부에 따른 값인 게인 (K) 을 승산하고, 이 승산한 값인 토크 (Tc) 를 선회 모터 토크 지령으로서 하이브리드 컨트롤러 (23a) 에 출력한다. 이로써, 도 3 에 나타낸 토크선도와 같은 토크 제한을 실시할 수 있다.

또한, 엔진 컨트롤러 (30) 대신에 상기 서술한 선회 모터 토크 지령을 구하는 처리를 하이브리드 컨트롤러 (23a) 가 실시하도록 해도 되며, 엔진 컨트롤러 (30) 와 하이브리드 컨트롤러 (23a) 를 일체로 한 컨트롤러가 상기 서술한 선회 모터 토크 지령을 구하는 처리를 실시하도록 해도 된다.

(실시형태 2)

상기 서술한 실시형태 1 에서는, 작업 모드에 따라 선회 최대 출력 (Plim) 을 구하고, 이 선회 최대 출력 (Plim) 을 사용하여 토크 제한값 (Tlim) 을 연산하도록 하였지만, 이 실시형태 2 에서는, 작업 모드 대신에 스로틀 다이얼 (연료 조정 다이얼 (28)) 의 설정값에 의해 선회 최대 출력 (Plim) 을 구하고, 이 선회 최대 출력 (Plim) 을 사용하여 토크 제한값 (Tlim) 을 연산하도록 하고 있다. 하이브리드 유압 셔블 (1) 에서는, 스로틀 다이얼에 의해서도 엔진 출력 제어를 실시하여 가동 상태를 설정할 수 있기 때문이다.

도 5 는, 이 실시형태 2 에 의한 토크 제한 제어 플로우를 나타내고 있다. 이 토크 제한 제어 플로우에서는, 도 4 의 작업 모드에 따른 신호 대신에 스로틀 다이얼 (연료 조정 다이얼 (28)) 의 설정값에 따른 신호를 이용하고, 작업 모드·선회 최대 출력 변환 테이블 (TB11) 대신에 스로틀 다이얼·선회 최대 출력 변환 테이블 (TB12) 을 사용하고 있다. 그 밖의 구성은 도 5 와 동일하다.

(실시형태 3)

도 6 은, 본 발명의 실시형태 3 에 의한 토크 제한 제어 플로우를 나타내고 있다. 이 실시형태 3 에서는, 실시형태 1 과 실시형태 2 를 조합한 토크 제한 제어를 실시하도록 하고 있다. 즉, 작업 모드에 따른 신호와 스로틀 다이얼 (연료 조정 다이얼 (28)) 의 설정값에 따른 신호를 입력되는 신호로 하고, 각각의 신호는, 작업 모드·선회 최대 출력 변환 테이블 (TB11), 스로틀 다이얼·선회 최대 출력 변환 테이블 (TB12) 에 입력되어, 각각 선회 최대 출력 (Plima, Plimb) 을 변환 출력한다. 그리고, 최소값 선택부 (MIN 선택) (201) 는, 이들 중 최소값인 선회 최대 출력 (Plim) 을 토크 제한값 연산부 (105) 에 입력한다. 그 밖의 구성은 도 4, 5 와 동일하다.

(실시형태 4)

이 실시형태 4 에서는, 실시형태 1 의 작업 모드에 따른 신호 대신에 작업 패턴에 따른 신호를 입력하도록 하고 있다. 이 작업 패턴에 따른 신호는, 작업 패턴의 판정 처리를 실시함으로써 판정된 복수의 작업 패턴 중 1 개의 작업 패턴이 작업 패턴을 나타내는 신호로서 입력된다. 그리고, 이 작업 패턴을 나타내는 신호가 입력되면, 작업 패턴·선회 최대 출력 변환 테이블에 의해 작업 패턴마다 미리 설정된 선회 최대 출력 (Plim) 으로 변환하여 출력한다.

이 작업 패턴의 판정 처리는, 예를 들어, 작업기 레버 (26) 중, 아암 (12) 을 움직이기 위한 아암 레버가 굴삭 방향으로 조작되고 있고, 유압 펌프 (18) 의 펌프 토출 압력도 어느 설정값보다 높은 경우, 중굴삭 작업의 작업 패턴으로 판정하고, 예를 들어 선회 레버 (26) 가 조작됨과 함께 작업기 레버 (26) 중 붐 (11) 을 움직이기 위한 붐 레버가 붐 (11) 을 올리는 방향 혹은 내리는 방향으로 조작되고 있는 경우, 호이스트 선회 작업의 작업 패턴으로 판정한다. 이와 같이, 작업 패턴의 판정 처리란, 특정 입력값에 의해 그 때에 오퍼레이터가 실시하고자 하고 있는 작업을 추정하는 것이다. 또한, 호이스트 선회 작업이란, 버킷 (13) 으로 굴삭한 토사를 붐 (11) 을 올리면서 상부 선회체 (5) 를 선회시켜, 원하는 선회 정지의 위치에서 버킷 (13) 의 토사를 배토하는 작업이다.

이와 같은 작업 패턴의 판정 처리를 도입한 제어를 실시하면, 더욱 치밀한 토크 제한 제어를 실시할 수 있다.

(실시형태 5)

이 실시형태 5 에서는, 작동유 온도를 입력으로 하고, 작동유 온도·선회 최대 출력 변환 테이블에 의해 각 테이블로부터 출력된 선회 최대 출력 (Plim) 의 값을 작동유 온도에 따라 보정 변환하도록 해도 된다. 외기 온도가 낮은 환경이나 하이브리드 유압 셔블 (1) 의 시동시 등에서는, 작동유 온도가 낮고, 작동유의 점성이 높아진다. 작동유의 점성의 상승은, 작업기의 동작 속도의 저하를 초래하는데, 선회 모터 (24) 는 전기 구동을 위해 작동유의 온도에 관계없이 동작하기 때문에, 선회 모터 (24) 에 의한 상부 선회체 (5) 의 동작에 작동유의 온도를 고려하지 않으면 오퍼레이터는 위화감을 느낀다. 따라서, 이 실시형태 5 와 같이 선회 최대 출력 (Plim) 의 값을 작동유 온도에 따라 보정 변환하면, 작업기 (3) 의 동작 속도에 조화된 선회 동작을 실시할 수 있다. 또한, 하이브리드 유압 셔블이 아닌 통상적인 유압 셔블에서는, 유압 모터로 선회하기 때문에 선회 최대 출력은 작동유 온도의 저하에 수반하여 감소한다. 따라서, 본 실시형태와 같은 작동유 온도의 정보를 도입한 제어를 실시하면, 오퍼레이터는 위화감을 느끼지 않는다. 또한, 하이브리드 유압 셔블 (1) 은, 유압 펌프 (18) 의 작동유 온도를 검출하는 센서를 갖고, 엔진 컨트롤러 (30), 펌프 컨트롤러 (33) 혹은 하이브리드 컨트롤러 (23a) 는 작동유 온도을 모니터한다.

이와 같은 유압 구동계의 운전 상태를 고려하여 토크 제한 제어를 실시함으로써, 더욱 선회 모터 (24) 에 의한 전기 구동계의 작업과 유압 구동계의 작업의 출력 밸런스, 토크 밸런스가 잡혀 작업 조작상의 위화감을 저감시킬 수 있다.

1 : 하이브리드 유압 셔블
2 : 차량 본체
3 : 작업기
4 : 하부 주행체
5 : 상부 선회체
11 : 붐
12 : 아암
13 : 버킷
14 : 붐 실린더
15 : 아암 실린더
16 : 버킷 실린더
17 : 엔진
18 : 유압 펌프
18a : 사판각 센서
19 : 발전기
20 : 컨트롤 밸브
20a : 펌프압 검출부
21 : 주행 모터
22 : 커패시터
23 : 인버터
23a : 하이브리드 컨트롤러
24 : 선회 모터
25 : 회전 센서
26 : 조작 레버
27 : 레버 조작량 검출부
28 : 연료 조정 다이얼
29 : 모드 전환부
30 : 엔진 컨트롤러
32 : 커먼 레일 제어부
33 : 펌프 컨트롤러
105 : 토크 제한값 연산부

Claims

가동 상태를 설정하는 가동 상태 설정 수단과,
설정되는 상기 가동 상태에 따라 미리 설정되는 전동 모터의 최대 출력을 취득하는 최대 출력 취득 수단과,
전동 모터의 회전 속도를 검출하는 회전 속도 검출 수단과,
상기 회전 속도와 상기 최대 출력을 기초로 토크 제한값을 연산하는 토크 제한값 연산 수단과,
상기 전동 모터의 가속시에 상기 토크 제한값에 의해 상기 전동 모터의 토크를 제한하는 토크 제한 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전동 모터의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 토크 제한 수단은, 상기 전동 모터의 감속시에, 설정되는 상기 가동 상태에 관계없이 감속을 위한 토크 제한값으로 상기 전동 모터의 토크를 제한하는 것을 특징으로 하는 전동 모터의 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 토크 제한 수단은, 소정 회전 속도 이하에서는, 설정되는 상기 가동 상태에 관계없이 최대 토크를 출력 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 전동 모터의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가동 상태 설정 수단은 작업 모드 선택부 및/또는 스로틀 다이얼인 것을 특징으로 하는 전동 모터의 제어 장치.
가동 상태를 설정하는 가동 상태 설정 단계와,
설정되는 상기 가동 상태에 따라 미리 설정되는 전동 모터의 최대 출력을 취득하는 최대 출력 취득 단계와,
전동 모터의 회전 속도를 검출하는 회전 속도 검출 단계와,
상기 회전 속도와 상기 최대 출력을 기초로 토크 제한값을 연산하는 토크 제한값 연산 단계와,
상기 전동 모터의 가속시에 상기 토크 제한값에 의해 상기 전동 모터의 토크를 제한하는 토크 제한 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 모터의 제어 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 토크 제한 단계는, 상기 전동 모터의 감속시에, 설정되는 상기 가동 상태에 관계없이 감속을 위한 토크 제한값으로 상기 전동 모터의 토크를 제한하는 것을 특징으로 하는 전동 모터의 제어 방법.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 토크 제한 단계는, 소정 회전 속도 이하에서는, 설정되는 상기 가동 상태에 관계없이 최대 토크를 출력 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 전동 모터의 제어 방법.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가동 상태 설정 단계는 작업 모드 선택 설정 및/또는 스로틀 다이얼값의 설정인 것을 특징으로 하는 전동 모터의 제어 방법.