KR20170087822A

KR20170087822A - 건설 기계, 하이브리드 유압 셔블, 및 전동 발전기의 출력 토크 제어 방법

Info

Publication number: KR20170087822A
Application number: KR1020167012233A
Authority: KR
Inventors: 츠바사 오히라; 토모타카 이마이; 히로아키 타케; 마사루 시즈메
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2017-07-31
Also published as: CN105829615A; DE112016000002T5; JPWO2016088904A1; JP5970625B1; US20170204589A1; WO2016088904A1

Abstract

하부 주행체와, 하부 주행체에 선회 가능하게 설치되어 선회 전동 발전기(19)에 의해 구동되는 상부 선회체와, 상부 선회체에 설치되는는 작업기를 구비한 건설 기계는 상부 선회체의 실제 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단(38)과, 상부 선회체의 선회 조작을 행하는 선회 레버의 조작량(21)으로부터 레버 지령 속도를 연산하는 레버 지령 속도 연산 수단(31)과, 연산된 레버 지령 속도에 의거하는 지령 속도에 의거하여 토크 지령값을 연산하는 토크 지령값 연산 수단(34)과, 토크 지령값 연산 수단(34)에 의해 연산된 토크 지령값 및 선회 속도 검출 수단(38)에 의해 검출된 선회 속도에 의거하여 선회 전동 발전기(19)에 지령 토크를 출력하는 지령값 출력 수단(35)과, 소정의 조건 하에서 지령값 출력 수단(35)으로부터의 토크 지령값의 출력을 규제하는 지령값 출력 규제 수단(36)을 구비한다.

Description

건설 기계, 하이브리드 유압 셔블, 및 전동 발전기의 출력 토크 제어 방법{CONSTRUCTION MACHINE, HYBRID HYDRAULIC EXCAVATOR, AND OUTPUT TORQUE CONTROL METHOD FOR MOTOR GENERATOR}

본 발명은 건설 기계, 하이브리드 유압 셔블, 및 전동 발전기의 출력 토크 제어 방법에 관한 것이다.

종래, 선회체를 전동 발전기에 의해 구동하고, 다른 작업기나 주행체를 유압 액츄에이터에 의해 구동하는 하이브리드 타입의 전동 선회 셔블이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

전동 선회 셔블에 의하면 선회체의 선회 동작이 전동 발전기에 의해 행해지고 있기 때문에 유압 구동되는 붐이나 암의 상승 조작과 동시에 선회체를 선회시켜도 선회체의 동작이 붐이나 암의 상승 조작에 영향을 주는 일이 없다. 이 때문에, 선회체를 유압 구동하는 경우에 비교하여 제어 밸브 등에서의 손실을 적게 할 수 있어 에너지 효율이 양호하다.

이러한 전동 선회 셔블로 선회 속도의 제어를 행할 경우, 선회 레버의 레버 신호에 의거하여 레버 지령 속도를 연산하고, 레버 지령 속도와 실제 속도를 비교하여 그 편차로부터 구하는 토크 지령값에 따른 토크 출력에 의해 가감속을 행하고 있다.

구체적으로는 선회 레버의 레버 신호에 의거하여 레버 지령 속도로부터 최적인 가가속도(저크값)가 되도록 저크 지령 속도를 연산한다. 그리고, 연산된 저크 지령 속도에 대하여 선회 속도의 정상 속도 편차를 적게 하는 피드 포워드 토크 지령값을 연산하여 선회 속도의 제어를 행하고 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).

국제 공개 2005/111322호 국제 공개 2006/054581호

그런데, 전동 선회 셔블에서는 굴삭벽에 버킷을 횡으로 압박하면서 굴삭 작업을 행하는 경우가 있고, 이 경우 선회 레버를 조작하면서 붐, 암, 버킷의 조작을 행하는 경우가 있다.

이 경우, 작업자는 선회 레버를 조작하고 있지만, 선회체 자신은 굴삭벽으로부터 반력을 받고 있기 때문에 선회 속도는 대략 0으로 유지된다.

이 상태에서 작업자가 선회 레버를 중립으로 조작하면 반력 쪽이 선회 모터의 출력 토크보다 커지기 때문에 선회체는 굴삭벽의 반대측으로 되밀리는 움직임이 생겨 정지할 때까지의 동안에 진동이 발생한다는 과제가 있다.

본 발명의 목적은 선회 조작과, 작업기 조작을 동시에 행하는 횡압박 굴삭을 행해도 선회 정지 시에 진동이 발생하지 않는 건설 기계, 하이브리드 유압 셔블, 및 전동 발전기의 출력 토크 제어 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 건설 기계는,

하부 주행체와, 상기 하부 주행체에 선회 가능하게 설치되어 전동 발전기에 의해 구동되는 상부 선회체와, 상기 상부 선회체에 설치되는 작업기를 구비한 건설 기계로서,

상기 상부 선회체의 실제 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단과,

상기 상부 선회체의 선회 조작을 행하는 선회 레버의 조작량으로부터 레버 지령 속도를 연산하는 레버 지령 속도 연산 수단과,

연산된 레버 지령 속도에 의거하는 지령 속도에 의거하여 토크 지령값을 연산하는 토크 지령값 연산 수단과,

상기 토크 지령값 연산 수단에 의해 연산된 토크 지령값 및 상기 선회 속도 검출 수단에 의해 검출된 선회 속도에 의거하여 상기 전동 발전기에 토크 지령값을 출력하는 지령값 출력 수단과,

상기 선회 속도 검출 수단에 의해 검출된 상기 선회체의 실제 선회 속도가 제 1 역치보다 작고,

상기 레버 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 레버 지령 속도와, 상기 선회 속도 검출 수단에 의해 검출된 실제 선회 속도의 편차가 제 2 역치보다 크고,

상기 레버 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 레버 지령 속도가 소정값보다 작을 때에

상기 지령값 출력 수단으로부터의 토크 지령값의 출력을 규제하는 지령값 출력 규제 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 선회체의 실제 선회 속도가 제 1 역치보다 작고, 레버 지령 속도와 실제 선회 속도의 편차가 제 2 역치보다 커지고 있으면 선회 레버를 조작하고 있음에도 불구하고, 선회체가 선회하지 않는 상태에 있으므로 횡압박 굴삭 작업을 행하고 있는 것을 판별할 수 있다. 그리고, 레버 지령 속도가 소정값보다 작아지고 있으면 작업자가 횡압박 굴삭 작업을 정지했다고 판별할 수 있다. 지령값 출력 규제 수단이 지령값 출력 수단으로부터의 토크 지령값의 출력을 규제함으로써 작업기에 작용하고 있던 반력의 방향과 동일 방향의 토크 지령값이 출력되는 것을 방지할 수 있으므로 선회체의 진동의 발생을 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 하이브리드 유압 셔블은,

하부 주행체와, 상기 하부 주행체에 선회 가능하게 설치되어 전동 발전기에 의해 구동되는 상부 선회체와, 상기 상부 선회체에 설치되며, 상기 상부 선회체에 회동 가능하게 설치되는 붐, 상기 붐에 회동 가능하게 설치되는 암, 및 상기 암에 회동 가능하게 설치되는 버킷을 구비한 작업기를 구비한 하이브리드 유압 셔블로서,

상기 전동 발전기는 축전기 또는 발전 전동기와 전력을 수수하고,

상기 붐, 상기 암, 및 상기 버킷은 유압 구동이 되며,

본 발명에 의해서도 상술과 마찬가지의 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 전동 발전기의 출력 토크 제어 방법은,

전동 발전기에 의해 구동되는 선회체를 구비한 건설 기계에서 실시되는 전동 발전기의 출력 토크 속도 제어 방법으로서,

상기 선회체의 제어 수단이,

상기 선회체의 실제 선회 속도를 검출하는 스텝과,

상기 선회체의 선회 조작을 행하는 선회 레버의 조작량으로부터 레버 지령 속도를 연산하는 스텝과,

연산된 레버 지령 속도에 의거하여 토크 지령값을 연산하는 스텝과,

연산된 토크 지령값 및 검출된 상기 선회체의 실제 선회 속도에 의거하여 상기 전동 발전기에 토크 지령값을 출력하는 스텝과,

검출된 실제 선회 속도가 제 1 역치보다 작고,

연산된 레버 지령 속도와, 검출된 실제 선회 속도의 편차가 제 2 역치보다 크고,

연산된 레버 지령 속도가 0일 때에 상기 전동 발전기로의 토크 지령값의 출력을 규제하는 스텝을 실시하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 건설 기계의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 상기 실시형태에 있어서의 건설 기계의 구동계의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 3은 상기 실시형태에 있어서의 선회 컨트롤러의 기능 블록도이다.
도 4는 상기 실시형태에 있어서의 저크 지령 속도 연산부를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 상기 실시형태에 있어서의 작용을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 6은 상기 실시형태에 있어서의 효과를 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은 상기 실시형태에 있어서의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다.

[1] 전체 구성

도 1에는 본 발명의 실시형태에 의한 작업 기계가 되는 하이브리드형의 전동 선회 셔블(1)이 나타내어지고, 전동 선회 셔블(1)은 하부 주행체(2)와, 상부 선회체(3)와, 작업기(5)를 구비하고 있다.

하부 주행체(2)는 도시를 생략했지만, 트랙 프레임과, 트랙 프레임의 주행 방향에 직교하는 차폭방향 양단에 설치되는 한쌍의 주행 장치(2A)를 구비하고 있다. 주행 장치(2A)는, 트랙 프레임에 설치된 구동륜 및 유동륜에 권취되는 크롤러(2B)를 구비하고, 구동륜을 구동시킴으로써 크롤러(2B)의 연장 방향으로 전동 선회 셔블(1)을 전후진시킨다.

상부 선회체(3)는 하부 주행체(2)의 트랙 프레임 위에 스윙 서클을 통해 선회 가능하게 설치되고, 이 상부 선회체(3)는 상세하게는 후술하지만, 전동 발전기에 의해 구동된다.

상부 선회체(3)의 주행 방향 전방부 좌측에는 캡(4)이 설치되고, 이 캡(4)에 인접한 전방부 중앙에는 작업기(5)가 설치되어 있다. 상부 선회체(3)의 캡(4) 및 작업기(5)와는 반대측의 후방부에는 카운터 웨이트(3A)가 설치되어 있다. 카운터 웨이트(3A)는 전동 선회 셔블(1)의 굴삭 작업 시의 중량 밸런스를 잡기 위해서 설치되어 있다.

캡(4)은 내부에 오퍼레이터가 승차해서 전동 선회 셔블(1)을 조종한다. 캡(4) 내에는 도 1에서는 도시를 생략했지만, 오퍼레이터 시트가 설치되고, 오퍼레이터 시트의 양 사이드에는 조작 레버가 설치되어 있다. 또한, 캡(4)의 바닥면에는 주행 페달이 설치되어 있다.

작업기(5)는 붐(6), 암(7), 및 버킷(8)과, 이들 각 요소를 동작시키기 위한 붐 실린더(6A), 암 실린더(7A), 및 버킷 실린더(8A)를 구비한다.

붐(6)은 기단이 상부 선회체(3)에 동작 가능하게 접속되며, 상부 선회체(3) 및 붐(6)에 각각의 선단이 접속되는 붐 실린더(6A)가 신축함으로써 붐(6)을 상하로 동작시킬 수 있다.

암(7)은 붐(6)의 선단에 암(7)의 기단이 붐(6)에 동작 가능하게 접속되며, 붐(6) 및 암(7)에 각각의 선단이 접속되는 암 실린더(7A)가 신축함으로써 암(7)을 상하로 동작시킬 수 있다.

버킷(8)은 암(7)의 선단에 버킷(8)의 기단이 암(7)에 동작 가능하게 접속되며, 암(7) 및 버킷(8)의 각각에 선단이 접속되는 버킷 실린더(8A)가 신축함으로써 버킷(8)을 동작시킬 수 있다.

붐 실린더(6A), 암 실린더(7A), 및 버킷 실린더(8A)는 유압 펌프로부터 토출 되는 작동유에 의해 구동하는 유압 실린더이다.

또한, 본 실시형태에서는 상부 선회체(3)를 전동 발전기에 의해 구동하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 즉, 전동 선회 셔블(1)의 붐(6), 암(7), 버킷(8), 및 하부 주행체(2) 중 어느 하나를 전동 발전기로 구동하는 하이브리드형 또는 전기 구동형의 전동 선회 셔블이어도 좋다.

도 2에는 전동 선회 셔블(1)의 구동계의 전체 구성이 나타내져 있다. 또한, 이하의 설명에서는 상부 선회체(3)의 선회 중심을 원점으로 하고, 하부 주행체(2)의 주행 방향을 전후 방향으로 하고, 주행 방향에 직교하는 방향을 좌우 방향으로 하여 설명한다.

전동 선회 셔블(1)은 구동원으로서의 엔진(11)과, 엔진(11)에 의해 구동되어 발전하는 발전 전동기(13)와, 전력을 축적하는 축전기(17)와, 인버터(13I, 17I)와, 변압기(17C)와, 유압 펌프(12)와, 조작 레버(20L, 20R)와, 유압 제어 밸브(14)와, 엔진 컨트롤러(11A)와, 펌프 컨트롤러(14A)와, 하이브리드 컨트롤러(16)와, 멀티 모니터(23)로 구성된다. 발전 전동기(13)가 발전한 전력 또는 축전기(17)로부터 방전되는 전력이 공급되어서 구동하는 선회 전동 발전기(19)가 조합되어 선회 전동 발전기(19)에 의해 상부 선회체(3)가 선회한다.

엔진(11)은 엔진 컨트롤러(11A)로부터의 제어 지령에 의해 구동하여 유압 펌프(12) 및 발전 전동기(13)를 구동한다.

유압 구동계는 유압 제어 밸브(14), 상술한 붐 실린더(6A), 암 실린더(7A), 버킷 실린더(8A), 및 2주행 모터(15)를 구비하고, 유압 펌프(12)가 유압원이 되어서 이들을 구동한다. 유압 제어 밸브(14)는 조작 레버(20L, 20R)의 조작에 의거하여 생성되는 파일롯 유압(PPC압)에 의해 구동한다. 유압 펌프(12)는 경사판·차축 등의 용량 가변 수단을 갖는 가변 용량식이며, 유압 펌프(12)의 경사판 각도를 검출하는 경사판 검출 센서를 갖고, 검출된 경사판 각도가 펌프 컨트롤러(14A)에 입력되어 펌프 컨트롤러(14A)로부터의 제어 지령에 의해 유압 펌프(12)의 출력 유량을 가변하게 제어한다.

전동 구동계는 발전 전동기(13)와, 하이브리드 컨트롤러(16)와, 축전기(17)와, 선회 전동 발전기(19)와 인버터(13I, 19I), 변압기(17C)를 구비한다.

하이브리드 컨트롤러(16)는 입력부, 출력부, 연산부, 및 기억부를 구비한다.

하이브리드 컨트롤러(16)의 입력부에서는 상부 선회체(3)의 선회 조작 지령 을 수신함과 아울러, 선회 전동 발전기(19)의 위치 정보, 인버터(13I, 19I), 변압기(17C)가 접속하는 계통간의 전압 등의 주로 전동 구동계에 설치되는 센서에 의해 취득한 정보를 수신한다.

하이브리드 컨트롤러(16)의 출력부에서는 인버터(13I, 19I) 및 변압기(17C)에 지령을 행한다. 인버터(13I, 19I), 변압기(17C)는 각각이 전력선을 통해 접속되고, 하이브리드 컨트롤러(16)로부터의 지령에 의거하여 인버터(13I)는 발전 전동기(13)와의 전력의 수수, 인버터(19I)는 선회 전동 발전기(19)와의 전력의 수수, 변압기(17C)는 축전기(17)와의 전력의 수수를 행한다.

하이브리드 컨트롤러(16)의 연산부는 선회 전동 발전기(19)의 회전수나 후술하는 선회 전동 발전기(19)의 구동 지령을 연산한다.

하이브리드 컨트롤러(16)의 기억부는 선회 전동 발전기(19)의 구동에 관한 특성을 기억한다.

선회 전동 발전기(19)는 발전 전동기(13), 축전기(17)로부터의 전력에 의해 구동하는 전동 발전기이며, 상부 선회체(3)의 제동 시에는 제동력을 선회 전동 발전기(19)에 의해 전력으로 변환하여 발전 전동기(13) 및 축전기(17)에 전력을 공급한다.

선회 전동 발전기(19)에는 리졸버 등의 센서(24)가 설치되어 선회 전동 발전기(19)의 회전 위치를 검출하고, 하이브리드 컨트롤러(16)에 출력한다. 또한, 선회 전동 발전기(19)로의 전력은 계통 간의 전압과, 전류 또는 선회 전동 발전기(19)의 회전수에 의해 산출한다.

이들의 구동계는 오퍼레이터가 캡(4) 내에 설치된 좌측 조작 레버(20L), 우측 조작 레버(20R)를 조작함으로써 구동시키는 것이 가능하다.

구체적으로는 우측 조작 레버(20R)를 전후 방향으로 조작하면 붐(6)의 하강, 상승 조작이 가능해진다. 우측 조작 레버(20R)를 좌우 방향으로 조작하면 버킷(8)의 굴삭 조작, 덤프 조작이 가능해진다. 좌측 조작 레버(20L)를 전후 방향으로 조작하면 암(7)의 덤프 조작, 굴삭 조작이 가능해진다. 좌측 조작 레버(20L)를 좌우 방향으로 조작하면 상부 선회체(3)를 좌우 방향으로 선회하는 것이 가능해진다.

상부 선회체(3)의 선회 조작에 있어서는 좌측 조작 레버(20L)를 좌우 방향으로 조작하면 PPC압 검출부(21)에서 검출된 PPC 지령은 펌프 컨트롤러(14A) 및 하이브리드 컨트롤러(16)에서 수신된다.

하이브리드 컨트롤러(16)는 인버터(19I)에 선회 지령을 출력한다. 인버터(19I)는 선회 전동 발전기(19)에 전력을 공급하여 선회 전동 발전기(19)가 구동한다.

또한, 조작 레버(20L, 20R)의 조작은 PPC압이 그대로 유압 제어 밸브(14)에 입력되어 유압 펌프(12)로부터의 작동유를 조정하고, 각 실린더(6A, 7A, 8A), 주행 모터(15)를 구동한다.

또한, 상부 선회체(3)의 캡(4) 내에는 스로틀 다이얼(22) 및 멀티 모니터(23)가 설치되어 있다.

스로틀 다이얼(22)은 이것을 조작함으로써 엔진 컨트롤러(11A)로의 제어 지령을 출력하여 엔진(11)의 출력 제어를 행한다.

멀티 모니터(23)는 조작부(23A) 및 표시부(23B)를 구비한다. 또한, 멀티 모니터(23)로서는 표시부에 직접 접촉해서 조작하는 터치 패널식의 것이어도 좋다.

조작부(23A)는 모니터로부터 독립된 조작 버튼을 복수개 구비하여 표시 상태의 스위칭이나 작업 지령의 입력을 행한다.

표시부(23B)에는 엔진(11)의 연료 잔량, 냉각수온 등의 상태가 표시됨과 아울러, 발전 전동기(13), 축전기(17), 선회 전동 발전기(19)의 온도 상태 등이 표시된다.

[2] 하이브리드 컨트롤러(16)의 연산부(18)의 구성

도 3에는 본 발명의 실시형태에 의한 하이브리드 컨트롤러(16)의 연산부(18)에 있어서의 기능 블록도가 나타내어져 있다. 하이브리드 컨트롤러(16)의 연산부(18)는 레버 지령 속도 연산부(31)와, 저크 지령 속도 연산부(32)와, 반력 제어 지령 속도 연산부(33)와, 토크 지령값 연산부(34)와, 지령값 출력부(35)와, 지령값 출력 규제부(36)를 구비한다.

또한, 하이브리드 컨트롤러(16)에는 선회 전동 발전기(19)에 의한 상부 선회체(3)의 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출부(37), 선회 전동 발전기(19)의 회전 위치를 검출하는 선회 위치 검출부(38), 및 선회 전동 발전기(19)의 출력 토크를 검출하는 출력 토크 검출부(39)가 접속되어 상부 선회체(3)의 실제 선회 속도, 실제 선회 위치, 및 선회 전동 발전기(19)의 출력 토크의 검출값이 피드백된다. 선회 속도 검출부(37)에 의한 선회 속도 및 선회 위치 검출부(38)에 의한 선회 전동 발전기(19)의 회전 위치는 상술한 센서(24)(도 2 참조)의 검출값으로부터 얻어진다. 또한, 선회 전동 발전기(19)의 출력 토크는 상술한 계통 간 전압과, 선회 전동 발전기(19)의 회전수, 또는 선회 전동 발전기(19)에 부여되는 전류에 의해 요구된다. 또한, 이하의 설명에서는 상부 선회체(3)의 조작인 좌측 조작 레버(20L)의 좌우의 조작을 선회 레버(20L)의 조작으로 하여 설명한다.

레버 지령 속도 연산부(31)는 PPC압 검출부(21)에서 검출된 선회 레버(20L)의 레버 조작량에 의거하여 레버 지령 속도를 연산한다. 레버 지령 속도 연산부(31)는 레버 조작량과 레버 지령 속도를 대응시킨 테이블을 구비하고, 이 테이블에 의거하여 레버 지령 속도를 연산하여 출력한다.

저크 지령 속도 연산부(32)는 레버 지령 속도 연산부(31)에서 연산된 레버 지령 속도에 의거하여 상부 선회체(3)의 가속도 또는 감속도의 구배를 포함하는 저크 지령 속도를 연산한다. 구체적으로는 도 4에 나타내는 바와 같이 저크 지령 속도 연산부(32)는 가속 시에는 선회 레버(20L)의 레버 지령 속도(Vi)의 입력을 접수하여(감속 시에는 Vi로부터 0으로 변경된 레버 조작 지령의 입력을 접수하여) 소정가속도(Ga)(감속 시에는 감속도(Gb))까지 일정 저크값(Ja)이 되도록 가속도(감속도)(G)를 연산한다. 레버 지령 속도(Vi)가 입력되었을(감속 시에는 레버 지령 속도입력이 Vi로부터 0으로 변경되었을) 때에 상부 선회체(3)의 속도가 급격하게 가속(감속)하지 않도록 가속도의 구배가 되는 저크값(Ja)(감속 시에는 감속도의 구배로부터 저크값(Jb))으로부터 가속도(Ga)(감속 시에는 감속도(Gb))를 연산하고, 매끄럽게 가속(감속)이 행해지도록 저크 지령 속도(Vo)를 연산하여 출력한다. 또한, 저크 지령 속도 연산부(32)는 후술하는 제 1 역치 이하의 선회 속도가 되는 저속 상태에서는 예외적으로 레버 지령 속도가 Vi로부터 0이 될 경우, 레버 지령 속도를 저크 지령 속도로서 출력한다. 그리고, 제 1 역치보다 더 작은 선회 속도(선회가 정지 직전)로 예외 처리를 해제한다.

반력 제어 지령 속도 연산부(33)는 선회 전동 발전기(19)의 현재 위치를 기준(원점)으로 하여 상부 선회체(3)의 위치 제어를 행하는 반력 제어 지령 속도를 연산한다. 구체적으로는 반력 제어 지령 속도 연산부(33)는 선회 위치 검출부(38)에서 검출된 선회 전동 발전기(19)의 현재 위치와, 선회 속도 검출부(37)에서 검출된 실제 선회 속도와, 출력 토크 검출부(39)에서 검출된 선회 전동 발전기(19)의 출력 토크와, 연산된 레버 지령 속도, 및 저크 지령 속도에 의거하여 선회 전동 발전기(19)의 원점 위치를 연산한다.

반력 제어 지령 속도 연산부(33)는 선회 레버(20L)의 레버 조작 지령에 대하여 실제의 선회가 상이한 방향으로 선회하고 있을 경우, 연산된 선회 전동 발전기(19)의 원점 위치와, 선회 전동 발전기(19)의 현재 위치의 차분을 취하고, 위치의 차분에 대하여 게인을 부여함으로써 반력 제어 지령 속도를 연산한다. 연산된 반력 제어 지령 속도는 외력에 의한 정지 시의 회전, 레버 지령 속도에 대하여 선회 전동 발전기(19)가 역회전하지 않도록 상부 선회체(3)의 위치를 고정하는 록 토크를 내는 지령 속도가 된다.

토크 지령값 연산부(34)는 저크 지령 속도 연산부(32)에서 연산된 가속도(G) 및 미리 결정된 관성값보다 피드 포워드 토크 지령값(이하, FF 토크 지령값)을 연산한다. 또한, 토크 지령값 연산부(34)는 후술하는 지령값 출력 규제부(36)에 의해 토크 지령값의 출력이 규제되어 있을 경우에는 FF 토크 지령값을 0과 연산한다.

지령값 출력부(35)는 토크 지령값 연산부(34)에서 연산된 토크 지령값에 의거하여 토크 지령값을 선회 전동 발전기(19)에 출력한다. 구체적으로는 지령값 출력부(35)는 연산된 저크 지령 속도 및 반력 제어 지령 속도를 가산한 값을 지령 속도로 하고, 지령 속도로부터 선회 속도 검출부(37)에서 검출된 실제 선회 속도와의 차분을 취하고, 토크 변환을 행하여 속도 편차 토크 지령값으로 한다.

이어서, 지령값 출력부(35)는 토크 지령값 연산부(34)에서 연산된 FF 토크 지령값에 토크 변환된 속도 편차 토크 지령값을 더하여 토크 지령값으로 하고, 선회 전동 발전기(19)에 출력한다.

지령값 출력 규제부(36)는 일정 조건 하에서 지령값 출력부(35)로부터의 토크 지령값의 출력을 규제한다.

지령값 출력 규제부(36)에 의한 토크 지령값의 출력의 규제는 이하의 조건이 전부 충족된 경우이다.

조건 1 : 선회 속도 검출부(37)에서 검출된 실제 선회 속도가 제 1 역치보다 작을 것.

조건 2 : 오퍼레이터가 선회 레버(20L)의 경도각도가 소정각도보다 작을 경우 중립 위치로 하여 상부 선회체(3)의 선회를 정지시키려 하고 있을 것.

조건 3 : 저크 지령 속도 연산부(32)에서 연산된 저크 지령 속도가 제 3 역치보다 작을 것.

조건 4 : 연산된 저크 지령 속도와 반력 제어 지령 속도를 가산한 지령 속도와, 실제 선회 속도의 편차가 제 2 역치보다 클 것(버킷(8)에 선회 방향으로 외력이 작용한 상태로 굴삭 작업을 행하고 있는 상황).

여기에서, 본 실시형태에 있어서는 제 1 역치로 설정되는 회전수보다 큰 회전수로서 제 2 역치로 정의되고, 제 1 역치보다 큰 회전수의 제 2 역치에 의거하여 제 3 역치가 설정된다.

상기에 설정한 각 조건에 의해 다음과 같은 판단이 행해진다. 조건 1 및 2를 판정 조건으로 함으로써 선회체의 선회 속도가 낮아 오퍼레이터도 선회를 정지하고 싶은 상황인 것으로 판단할 수 있다. 조건 3을 판정 조건으로 함으로써 저크 지령 속도가 낮아 선회 속도가 낮은 상황인 것을 판단할 수 있다. 조건 4를 판정 조건으로 함으로써 선회 지령 속도와 실제 선회 속도가 외력에 의해 괴리되어 있는 상황인 것을 판단할 수 있다.

상기 조건 1~4를 FF 토크 지령 출력의 규제 조건으로 함으로써 선회가 저속으로 반력이 가해져 의도하지 않는 방향으로 선회체가 동작했을 때에 발생하는 출력을 의도하지 않는 FF 토크를 출력하는 경우가 없어진다. 또한, 규제 조건 중에서 상기 판정 조건에 있어서 조건의 3은 필수 조건은 아니다.

또한, 지령값 출력 규제부(36)는 반력 제어 지령 속도 연산부(33)에서 연산된 반력 제어 지령 속도가 저크 지령 속도 연산부(32)에서 연산된 저크 지령 속도보다 작을 때에도 FF 토크 지령값을 0으로 하여 지령값 출력부(35)로부터의 토크 지령값의 출력을 규제한다.

한편, 지령값 출력 규제부(36)가 FF 토크 지령값을 0으로 하지 않는 조건은 이하의 경우이다.

조건 5 : 버킷(8)에 외력이 작용하고 있지 않고, 실제 선회 속도가 저크 지령 속도와 크게 괴리되어 있지 않을 것.

조건 6 : 지령 속도와 실제 선회 속도의 편차로부터 구한 속도 편차 토크와, FF 토크 지령값이 동일 방향일 것(실제 선회 속도의 절대값＞저크 지령 속도의 절대값).

이들 조건이 만족되어 있을 경우, 조건 1~조건 3이 충족되어 있다고 해도 지령값 출력 규제부(36)는 FF 토크 지령값을 0으로는 하지 않고 연산된 FF 토크 지령값을 그대로 지령값 출력부(35)에 출력한다.

[3] 실시형태의 작용(전동 발전기의 출력 토크 제어 방법)

이어서, 본 실시형태의 작용을 도 5에 나타내어지는 플로우 차트에 의거하여 설명한다.

우선, PPC압 검출부(21)는 선회 레버(20L)의 조작량을 검출하고(스텝 S1), 레버 조작량으로 하여 레버 지령 속도 연산부(31)에 출력한다.

레버 지령 속도 연산부(31)는 레버 조작량에 의거하여 레버 지령 속도를 연산하고(스텝 S2), 저크 지령 속도 연산부(32)에 출력한다.

저크 지령 속도 연산부(32)는 연산된 레버 지령 속도에 의거하여 저크 지령 속도를 연산한다(스텝 S3).

토크 지령값 연산부(34)는 저크 지령 속도로 연산된 가속도(G)와 관성값으로부터 FF 토크 지령값을 연산한다(스텝 S4).

반력 제어 지령 속도 연산부(33)는 선회 전동 발전기(19)의 원점 위치를 연산하고, 실제 선회 위치와의 차분을 취하여 게인을 부여하고, 적분하여 반력 지령 속도를 연산한다(스텝 S5).

지령값 출력 규제부(36)는 상술한 조건 1인 실제 선회 속도가 제 1 역치보다 작은지의 여부를 판정한다(스텝 S6).

조건 1이 해당할(스텝 S6이 Yes) 경우, 지령값 출력 규제부(36)는 제 2 조건인 레버 지령 속도가 0인지의 여부를 판정하고, 오퍼레이터가 상부 선회체(3)의 선회를 정지시키려고 하고 있는지의 여부를 판정한다(스텝 S7).

제 2 조건이 해당할(스텝 S7이 Yes) 경우, 지령값 출력 규제부(36)는 제 3 조건인 저크 지령 속도가 제 3 역치 이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S8).

제 3 조건이 해당할(스텝 S8이 Yes) 경우, 지령값 출력 규제부(36)는 제 4 조건인 저크 지령 속도와 반력 제어 지령 속도를 가산한 지령 속도가 제 2 역치보다 큰지의 여부를 판정한다(스텝 S9). 제 4 조건이 해당할(스텝 S9이 Yes) 경우, FF 토크 지령값을 0으로 설정하고, 지령값 출력부(35)에 출력한다(스텝 S11).

한편, 제 1 조건으로부터 제 4 조건(S6~S9) 중 어느 하나가 해당하지 않을 경우(S6~S9 : No), 지령값 출력 규제부(36)는 반력 제어 지령 속도가 저크 지령 속도보다 큰지의 여부를 판정한다(스텝 S10). 해당하지 않을 경우(스텝 S10 : No), 토크 지령값 연산부(34)는 가속도(G) 및 관성값에 의거하여 결정되는 FF 토크를 지령값 출력부(35)에 출력한다(스텝 S12).

지령값 출력 규제부(36)는 스텝 S10의 판정이 해당할(스텝 S10이 Yes) 경우, 토크 지령값 연산부(34)는 FF 토크 지령값을 0으로 설정하고, 지령값 출력부(35)에 출력한다(스텝 S11).

지령값 출력부(35)는 FF 토크 지령값과, 속도 편차 토크 지령값을 가산해서 토크 지령값으로 하여 선회 전동 발전기(19)에 출력한다(스텝 S13).

[4] 실시형태의 효과

본 실시형태에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.

도 6에 나타내어지는 바와 같이 오퍼레이터가 버킷(8)의 좌측면을 굴삭벽(W)에 닿게 하면서 굴삭 작업을 행하고 있는 상태를 상정한다. 오퍼레이터는 버킷 조작 레버를 조작하여 굴삭력(F1)을 하방으로 작용시키고, 동시에 선회 레버(20L)를 좌향으로 조작하고 있다. 이 상태에서는 버킷(8)에는 굴삭벽(W)으로부터의 반력(F2)이 작용하고 있기 때문에 저크 지령 속도가 일정값을 출력하고 있음에도 불구하고 상부 선회체(3)의 실제 선회 속도는 대략 0으로 되어 있다.

시각(t1)(도 7 참조)에 있어서, 오퍼레이터가 선회 레버(20L)를 중립 위치로 조작하면 좌향이었던 저크 지령 속도가 레버 지령 속도에 의거하여 선회 정지 직전의 저크 지령 속도가 지령될 때까지 내려간다. 선회 정지 직전의 저크 지령 속도가 되어 굴삭벽(W)으로부터의 반력(F2)이 선회 전동 발전기(19)의 출력 토크보다 커지기 때문에 상부 선회체(3)는 우측 방향으로 선회한다. 이때, FF 토크 지령값(F3)이 선회 우측 방향으로 출력되기 때문에 토크 변동이 커 선회 전동 발전기(19)에 진동이 발생하고, 그 후 반력 제어 지령 속도에 의해 속도 편차 토크가 커져 반력(F2)과 균형이 잡혀서 상부 선회체(3)가 정지한다.

이 상황을 도 7에 나타내어지는 그래프로 확인한다. 또한, 그래프의 세로축에 있어서 상방측을 도 6에 있어서의 선회 방향의 좌측, 하방측을 선회 방향의 우측으로 한다. 오퍼레이터가 선회 레버(20L)를 조작하여 버킷(8)을 굴삭벽(W)으로 압박하는 상태로부터 선회 레버(20L)를 중립 위치로 조작하면, 실제 선회 속도가 낮으므로 저크 지령 속도는 레버 지령 속도를 따르는 형태로 레버 지령 속도에 의거하여 선회 정지 직전까지 감소하고, 선회 정지 직전에 저크 지령 속도에 의거하여 천천히 0에 근접한다.

지령값 출력 규제부(36)를 구비하지 않는 대책 전이 되는 비교 실시형태에 있어서 설명한다. 상부 선회체(3)의 실제 선회 속도는 선회 레버(20L)를 조작하여 굴삭벽(W)에 작업기(5)를 압박하는 상태에서는 선회 전동 발전기(19)의 출력 토크와 반력(F2)이 균형되어 있기 때문에 증가하지 않는다. 시각(t1)에 있어서, 오퍼레이터가 선회 레버(20L)를 중립 위치로 하면 굴삭벽(W)으로부터의 반력(F2)에 의해 상부 선회체(3)는 압박되어 있던 방향과는 역방향(마이너스 방향)으로 선회한다.

이때, 지령값 출력부(35)로부터 출력되는 출력 토크를 보면 선회 레버(20L)를 중립 위치로 했을 때, 출력 토크가 급격하게 감소하지만, 이는 속도 편차 토크가 저크 지령 속도의 감소에 따라 급격히 감소하는 것 및 FF 토크가 우측 방향으로 출력되기 때문이다. FF 토크 지령값(F3)이 출력되면 지령값 출력부(35)로부터 출력되는 출력 토크의 급격한 감소를 조장하는 방향으로 토크 지령값이 선회 전동 발전기(19)애 출력되어 우측 방향으로의 선회가 조장된다. 그 후, 반력 제어의 상승과 함께 시각(t2)이 되면 지령값 출력부(35)로부터 출력되는 출력 토크가 위치를 유지하도록 좌측 방향으로 토크를 출력해서 정지한다.

한편, 본 실시형태에 의한 대책 후에 있어서는 도 7에 있어서의 파선으로 나타내어지는 바와 같이 상술한 조건 1로부터 조건을 전부 만족할 경우, FF 토크 지령값을 0으로 함으로써 지령값 출력부(35)로부터 FF 토크 지령값을 출력하는 일이 없으므로 선회 전동 발전기(19)의 출력 토크의 감소를 적게 할 수 있고, 이에 따라 상부 선회체(3)의 실제 선회 속도의 변화를 억제하여 진동 발생을 감소시킬 수 있다.

또한, 반력 제어 지령 속도가 저크 지령 속도를 상회할 경우, FF 토크 지령값을 0으로 하고 있으므로 반력 제어 지령 속도에 의거하는 토크 지령값이 우선시되어 반력(F2)에 저항하는 방향의 토크 지령값에 의해 조속히 상부 선회체(3)를 정지시킬 수 있다.

[5] 실시형태의 변형

또한, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 이하에 나타내는 변형을 포함하는 것이다.

상기 실시형태에서는 반력 제어 지령 속도 연산부(33)를 구비하고, 지령값 출력 규제부(36)는 반력 제어 지령 속도 연산부(33)에서 연산된 반력 제어 지령 속도가 저크 지령 속도 연산부(32)에서 연산된 저크 지령 속도보다 클 경우에 FF 토크 지령값을 규제하고 있었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 반력 제어 지령 속도와 저크 지령 속도의 대소 판정을 행하지 않아도 좋다.

상기 실시형태에서는 저크 지령 속도 연산부(32)에서 연산된 가속도에 의거하여 FF 토크 지령값을 연산하고 있었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다른 방법에 의해 가속도를 연산하여 FF 토크 지령값을 연산해도 좋다.

그 외에 본 발명의 실시 시의 구체적인 구조 및 형상은, 예를 들면 선회 기구가 전동 발전기와 유압 구동에 의거하는 선회 기구에 사용하는 등 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에서 다른 구조 등으로 해도 좋다.

1 : 전동 선회 셔블 2 : 하부 주행체
2A : 주행 장치 2B : 크롤러
3 : 상부 선회체 4 : 캡
5 : 작업기 6 : 붐
6A : 붐 실린더 7 : 암
7A : 암 실린더 8 : 버킷
8A : 버킷 실린더 11 : 엔진
11A : 엔진 컨트롤러 12 : 유압 펌프
13 : 발전 전동기 13I : 인버터
14 : 유압 제어 밸브 14A : 펌프 컨트롤러
15 : 주행 모터 16 : 하이브리드 컨트롤러
17 : 축전기 17C : 변압기
18 : 연산부 19 : 선회 전동 발전기
19I : 인버터 20L : 선회 레버
20R : 우측 조작 레버 21 : PPC압 검출부
22 : 스로틀 다이얼 23 : 멀티 모니터
23A : 조작부 23B : 표시부
24 : 센서 31 : 레버 지령 속도 연산부
32 : 저크 지령 속도 연산부 33 : 반력 제어 지령 속도 연산부
34 : 토크 지령값 연산부 35 : 지령값 출력부
36 : 지령값 출력 규제부 37 : 선회 속도 검출부
38 : 선회 위치 검출부 39 : 출력 토크 검출부
3A : 카운터 웨이트 W : 굴삭벽

Claims

하부 주행체와, 상기 하부 주행체에 선회 가능하게 설치되어 전동 발전기에 의해 구동되는 상부 선회체와, 상기 상부 선회체에 설치되는 작업기를 구비한 건설 기계로서,
상기 상부 선회체의 실제 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단과,
상기 상부 선회체의 선회 조작을 행하는 선회 레버의 조작량으로부터 레버 지령 속도를 연산하는 레버 지령 속도 연산 수단과,
연산된 레버 지령 속도에 의거하는 지령 속도에 의거하여 토크 지령값을 연산하는 토크 지령값 연산 수단과,
상기 토크 지령값 연산 수단에 의해 연산된 토크 지령값 및 상기 선회 속도 검출 수단에 의해 검출된 선회 속도에 의거하여 상기 전동 발전기에 토크 지령값을 출력하는 지령값 출력 수단과,
상기 선회 속도 검출 수단에 의해 검출된 상기 선회체의 실제 선회 속도가 제 1 역치보다 작고,
상기 레버 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 레버 지령 속도와, 상기 선회 속도 검출 수단에 의해 검출된 실제 선회 속도의 편차가 제 2 역치보다 크고,
상기 레버 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 레버 지령 속도가 소정값보다 작을 때에
상기 지령값 출력 수단으로부터의 토크 지령값의 출력을 규제하는 지령값 출력 규제 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 지령값 출력 규제 수단은 상기 레버 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 레버 지령 속도가 0일 때에 토크 지령값의 출력을 규제하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 레버 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 레버 지령 속도에 의거하여 상기 상부 선회체의 가속도 또는 감속도에 대한 구배를 포함하는 저크 지령 속도를 연산하는 저크 지령 속도 연산 수단을 구비하고,
상기 지령값 출력 규제 수단은 저크 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 저크 지령 속도가 제 3 역치보다 작을 때에
상기 지령값 출력 수단으로부터의 토크 지령값의 출력을 규제하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제 3 항에 있어서,
상기 전동 발전기의 현재 위치를 기준으로 하여 상기 선회체의 위치 제어를 행하는 반력 제어 지령 속도를 연산하는 반력 제어 지령 속도 연산 수단을 구비하고,
상기 지령값 출력 규제 수단은 상기 반력 제어 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 반력 제어 지령 속도가 상기 저크 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 저크 지령 속도보다 작을 때에
상기 지령값 출력 규제 수단으로부터의 토크 지령값의 출력을 규제하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
하부 주행체와, 상기 하부 주행체에 선회 가능하게 설치되어 전동 발전기에 의해 구동되는 상부 선회체와, 상기 상부 선회체에 설치되며, 상기 상부 선회체에 회동 가능하게 설치되는 붐, 상기 붐에 회동 가능하게 설치되는 암, 및 상기 암에 회동 가능하게 설치되는 버킷을 구비한 작업기를 구비한 하이브리드 유압 셔블로서,
상기 전동 발전기는 축전기 또는 발전 전동기와 전력을 수수하고,
상기 붐, 상기 암, 및 상기 버킷은 유압 구동이 되며,
상기 상부 선회체의 실제 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단과,
상기 상부 선회체의 선회 조작을 행하는 선회 레버의 조작량으로부터 레버 지령 속도를 연산하는 레버 지령 속도 연산 수단과,
연산된 레버 지령 속도에 의거하는 지령 속도에 의거하여 토크 지령값을 연산하는 토크 지령값 연산 수단과,
상기 토크 지령값 연산 수단에 의해 연산된 토크 지령값 및 상기 선회 속도 검출 수단에 의해 검출된 선회 속도에 의거하여 상기 전동 발전기에 토크 지령값을 출력하는 지령값 출력 수단과,
상기 선회 속도 검출 수단에 의해 검출된 상기 선회체의 실제 선회 속도가 제 1 역치보다 작고,
상기 레버 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 레버 지령 속도와, 상기 선회 속도 검출 수단에 의해 검출된 실제 선회 속도의 편차가 제 2 역치보다 크고,
상기 레버 지령 속도 연산 수단에 의해 연산된 레버 지령 속도가 소정값보다 작을 때에
상기 지령값 출력 수단으로부터의 토크 지령값의 출력을 규제하는 지령값 출력 규제 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 유압 셔블.
하부 주행체와, 상기 하부 주행체에 선회 가능하게 설치되어 전동 발전기에 의해 구동되는 상부 선회체와, 상기 상부 선회체에 설치되는 작업기를 구비한 건설 기계에서 실시되는 전동 발전기의 출력 토크 제어 방법으로서,
상기 건설 기계의 제어 수단은,
상기 상부 선회체의 실제 선회 속도를 검출하는 스텝과,
상기 상부 선회체의 선회 조작을 행하는 선회 레버의 조작량으로부터 레버 지령 속도를 연산하는 스텝과,
연산된 레버 지령 속도에 의거하여 토크 지령값을 연산하는 스텝과,
연산된 토크 지령값 및 검출된 상기 상부 선회체의 실제 선회 속도에 의거하여 상기 전동 발전기에 토크 지령값을 출력하는 스텝과,
검출된 실제 선회 속도가 제 1 역치보다 작고,
연산된 레버 지령 속도와, 검출된 실제 선회 속도의 편차가 제 2 역치보다 크고,
연산된 레버 지령 속도가 소정값보다 작을 때에 상기 전동 발전기로의 토크 지령값의 출력을 규제하는 스텝을 실시하는 것을 특징으로 하는 전동 발전기의 출력 토크 제어 방법.