WO2012081742A1 - 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템 - Google Patents

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WO2012081742A1
WO2012081742A1 PCT/KR2010/008958 KR2010008958W WO2012081742A1 WO 2012081742 A1 WO2012081742 A1 WO 2012081742A1 KR 2010008958 W KR2010008958 W KR 2010008958W WO 2012081742 A1 WO2012081742 A1 WO 2012081742A1
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swing
inertia
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torque
equipment
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최동욱
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볼보 컨스트럭션 이큅먼트 에이비
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Definitions

  • the present invention relates to a swing control system for a hybrid construction machine that swings an upper swing structure by driving an electric swing motor.
  • the swing control allows the swing motor to be driven with a constant swing acceleration regardless of the swing inertia of the equipment. It's about the system.
  • a swing operation lever (not shown) for outputting a swing operation signal in proportion to the amount of operation by the driver
  • An inverter 4 converts a direct current type DC into an alternating current AC by a control signal transmitted from the controller 3 and supplies the converted current to the swing motor 1.
  • the controller 3 is transmitted to the controller 3, respectively.
  • the driving speed of the turning motor 1 can be calculated, and the turning motor 1 can be driven by the control current value output to the inverter 4.
  • the turning inertia of the machine changes according to the change of the position of the work machine, and the change of the turning inertia of the machine The turning acceleration of the machine will change.
  • the turning acceleration ⁇ of the equipment is changed in inverse proportion to the change of the turning inertia J of the equipment (J ⁇ 1 / ⁇ ). This causes a problem of lowering work efficiency by acting as a barrier to maintaining repeatability of turning work when turning the equipment and the work device by the driver.
  • the swing control system for the hybrid construction machine to improve the work efficiency by improving the repeatability of the turning operation by driving the swing motor to maintain a constant turning acceleration irrespective of the change of the turning inertia of the equipment Is associated with.
  • a swing inertia detector which detects the swing inertia of the equipment that changes according to the position change of the work device and outputs a torque compensation value according to the equipment inertia;
  • an inertia torque compensator for outputting a torque motor control torque value calculated by comparing the torque compensation value according to the equipment inertia detected by the swing inertia detector with the torque value from the controller.
  • the swing inertial detection signal of the equipment detected by the swing inertial detector described above is transmitted to the inertial torque compensator by any one selected from analog and digital signals or wired or wireless communication.
  • the swing inertia detector described above detects each hydraulic cylinder position change value for a work device in real time, and detects the swing inertia of the equipment by using a combination of the detected respective hydraulic cylinder position change values.
  • the above-described swing inertia detector compares the speed feedback value of the swing motor fed back from the rotational speed sensor with the current feedback value, predicts the acceleration value and torque value of the swing motor, and detects this in real time to provide the inertial value to the inertial torque compensator. send.
  • the swing control system for a hybrid construction machine according to the embodiment of the present invention configured as described above has the following advantages.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a swing control system for a hybrid construction machine according to the prior art
  • FIG. 2 is a graph showing a correlation between acceleration of a swing motor and equipment inertia in a swing control system according to the related art
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a swing control system for a hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a graph showing a correlation between acceleration and equipment inertia of a swing motor in a swing control system for a hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a schematic diagram of an excavator for explaining a swing control system for a hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • a swing operation lever (not shown) for outputting a swing operation signal in proportion to the amount of operation by the driver
  • An inverter 14 which drives the swing motor 11 by the control current value transmitted from the controller 13 and converts the direct current type DC into alternating current AC;
  • Swivel inertia detector 15 which detects the turning inertia of the equipment that changes according to the position change of the working device c, which is formed as a boom, arm, bucket, and hydraulic cylinder driving them respectively, and outputs a torque compensation value according to the equipment inertia.
  • Inertia torque compensator 16 for outputting torque value for turning motor control to inverter 14 calculated by comparing torque compensation value according to equipment inertia detected by swing inertia detector 15 and torque value from controller 13. ).
  • the inertial inertial detection signal of the equipment detected by the above-described inertial inertia detector 15 is an inertial torque compensator 16 by any one selected from analog and digital signals or wired or wireless communication. Is sent).
  • the swing inertia detector 15 described above detects each hydraulic cylinder position change value for a work device in real time, and detects the swing inertia of the equipment by using a combination of the detected respective hydraulic cylinder position change values.
  • the above-described turning inertia detector 15 compares the speed feedback value and the current feedback value of the turning motor 11 fed back from the rotational speed sensor 12 to predict the acceleration value and the torque value of the turning motor 11, This is detected in real time and the inertia value is transmitted to the inertia torque compensator 16.
  • the turning motor torque value according to the amount of operation of the turning operation lever by the driver and the speed feedback value according to the actual driving of the turning motor 11 fed back from the speed sensor 12 are controlled. It is input to (13). That is, the driving speed that can drive the turning motor 11 is calculated by comparing the operation signal value required by the driver with the speed feedback value of the turning motor 11.
  • the swing inertia detector 15 detects the inertia of the equipment according to the position change of the work device c including the bucket and outputs a torque compensation value according to the detected inertia.
  • the torque value output from the controller 13 and the torque compensation value output from the swing inertia compensator 16 can be compared and judged to drive the swing motor 11.
  • the drive speed is calculated and output to the inverter 14.
  • the swing motor 11 can be driven by the control signal output from the swing inertia compensator 16 to the inverter 14.
  • the inertia J of the excavator is the distance between the position of the bucket tip d, which is changed according to the position change of the working device c, such as a boom, and the pivot reference axis, that is, the axis of the swing motor 11 ( change according to x).
  • the equipment inertia changes in accordance with the change of the position of the working device (c) during the work in which the turning motion and the working device are combined. This is changed by the correlation of the torque T, the inertia J, and the acceleration ⁇ . From the equation below, the acceleration ⁇ of the equipment is changed in inverse proportion to the inertia J of the equipment when the torque T is constant.
  • the inertia change of the equipment according to the change of the distance (x) value is compensated by the control of the torque value through the swing inertia detector 15 described above, that is, the torque (T) / inertia (J) is constantly controlled.
  • the swing motor 11 can be controlled with a constant acceleration (shown in the graph of FIG. 4). That is, the turning motor 11 can be controlled by maintaining a constant acceleration irrespective of the turning inertia change of the equipment.
  • This can maintain a constant acceleration performance of the turning device in accordance with the position change of the work device (c) during the loading operation.
  • the working efficiency of the equipment can be improved.
  • the excavator by comparing the rotational speed value of the swing motor to be fed back and the swing inertia of the equipment to compensate for the torque according to the change in the swing inertia, the excavator The repetition of the turning operation can be improved because the turning motor maintains a constant turning acceleration regardless of the change of turning inertia of the equipment during loading operation.

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Abstract

하이브리드 건설기계의 선회관성을 검출하여 선회관성 변화에 무관하게 일정한 선회 가속도로 선회모터를 구동시킬 수 있도록 한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템을 개시한다. 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템에 있어서, 선회 조작레버와, 선회 조작레버의 조작에 따라 구동되는 전동식 선회모터와, 선회모터의 회전속도를 검출하는 속도감지센서와, 선회 조작레버의 조작에 의한 선회 조작신호와 속도감지센서로부터 피이드백되는 회전속도의 검출신호에 의해 선회모터의 구동속도를 산출하는 제어기와, 제어기로부터의 제어신호에 의해 선회모터를 구동시키는 인버터와, 작업장치의 위치 변화에 따라 변화되는 장비의 선회 관성을 검출하여 장비 관성에 따른 토오크 보상값을 출력하는 선회 관성 검출기와, 선회 관성 검출기에 의해 검출된 장비 관성에 따른 토오크 보상값과 제어기로부터의 토오크값을 비교하여 산출된 선회모터 제어용 토오크값을 인버터에 출력하는 관성 토오크 보상기를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템을 제공한다.

Description

하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템
본 발명은 전동식 선회모터의 구동에 의해 상부 선회체를 선회시키는 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템에 관한 것으로, 특히 장비의 선회관성 변화에 무관하게 일정한 선회 가속도로 선회모터를 구동시킬 수 있도록 한 선회 제어시스템에 관한 것이다.
최근에는 전기에너지에 의해 구동되는 전동식 선회모터를 이용하여 하부 주행체에 대해 상부 선회체를 선회시키는 선회장치가 장착되는 하이브리드형 굴삭기와 같은 건설기계가 이용되고 있다.
도 1에 도시된 종래 기술에 의한 하이브리드 건설기계용 선회모터 제어시스템은,
운전자에 의한 조작량에 비례하여 선회 조작신호를 출력하는 선회 조작레버(미도시됨)와,
선회 조작레버의 조작량에 대응되는 전기적 제어신호에 의해 구동시 상부 선회체를 하부 주행체에 대해 선회시키는 전동식 선회모터(1)와,
선회모터(1)의 회전속도를 검출하는 속도센서(2)와,
선회 조작레버의 조작에 의한 선회 조작신호와, 속도센서(2)로부터 피이드백되는 선회모터(1)의 회전속도 검출신호에 의해 선회모터(1)의 구동속도를 산출하는제어기(3)와,
제어기(3)로부터 전송되는 제어신호에 의해 직류형태의 전류(DC)를 교류(AC)로 변환시켜 선회모터(1)에 공급하는 인버터(inverter)(4)를 포함한다.
운전자에 의해 선회 조작레버를 조작함에 따른 선회 조작신호와, 속도센서(2)로부터 피이드백되는 선회모터(1)의 회전속도 검출신호가 제어기(3)에 각각 전송됨에 따라, 제어기(3)에 의해 선회모터(1)의 구동속도를 산출하여 인버터(4)에 출력되는 제어용 전류값에 의해 선회모터(1)를 구동시킬 수 있다.
한편, 굴삭기를 이용한 상차작업에서와 같이 장비의 선회동작과 붐 등의 작업장치를 구동시키는 복합동작의 경우, 작업장치의 위치 변화에 따라 장비의 선회관성이 변화되고, 장비의 선회관성 변화에 의해 장비의 선회 가속도가 변하게 된다.
이때, 도 2에서와 같이 장비의 선회 가속도(α)는 장비의 선회 관성(J)이 변하는 것에 대해 반비례하여 변화된다(J ∝ 1/α). 이는 운전자에 의해 장비의 선회 및 작업장치를 복합동작시킬 경우에, 선회작업의 반복성을 유지하는데 장애요인으로 작용하여 작업능률을 저하시키는 문제점을 갖는다.
본 발명의 실시예는, 장비의 선회관성 변화에 무관하게 일정한 선회 가속도를 유지하도록 선회모터를 구동시킴에 따라, 선회작업의 반복성 향상으로 작업능률을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템과 관련된다.
본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템은,
하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템에 있어서,
조작량에 비례하는 선회 조작신호를 출력하는 선회 조작레버와,
선회 조작레버의 조작량에 대응되는 전기적 제어신호에 따라 구동되는 전동식 선회모터와,
선회모터의 회전속도를 검출하는 속도감지센서와,
선회 조작레버의 조작에 의한 선회 조작신호와, 속도감지센서로부터 피이드백되는 회전속도의 검출신호에 의해 선회모터의 구동속도를 산출하는 제어기와,
제어기로부터 전송되는 제어용 전류값에 의해 선회모터를 구동시키는 인버터와,
작업장치의 위치 변화에 따라 변화되는 장비의 선회 관성을 검출하여, 장비 관성에 따른 토오크 보상값을 출력하는 선회 관성 검출기와,
선회 관성 검출기에 의해 검출된 장비 관성에 따른 토오크 보상값과, 제어기로부터의 토오크값을 비교하여 산출된 선회모터 제어용 토오크값을 인버터에 출력하는 관성 토오크 보상기를 포함한다.
더욱 바람직한 실시예에 의하면, 전술한 선회 관성 검출기에 의해 검출되는 장비의 선회 관성 검출신호는 아날로그 및 디지털신호, 또는 유,무선 통신중 선택되는 어느 하나에 의해 관성 토오크 보상기에 전송된다.
전술한 선회 관성 검출기는 작업장치용 각각의 유압실린더 위치 변화값을 실시간으로 검출하여, 검출된 각각의 유압실린더 위치 변화값의 조합을 이용하여 장비의 선회 관성을 검출한다.
전술한 선회 관성 검출기는 회전속도센서로부터 피이드백되는 선회모터의 속도귀환값과 전류귀환값을 비교하여 선회모터의 가속도값 및 토오크값을 예측하고, 이를 실시간으로 검출하여 관성값을 관성 토오크 보상기에 전송한다.
전술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템은 아래와 같은 이점을 갖는다.
장비의 선회관성 변화에 따라 토오크를 보상하여 장비의 선회관성 변화에 무관하게 선회모터가 일정한 선회 가속도를 유지하도록 제어함에 따라 선회작업의 반복성 향상으로 작업성을 높일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템의 개략도,
도 2는 종래 기술에 의한 선회 제어시스템에 있어서, 선회모터의 가속도와 장비 관성의 상관 관계를 나태는 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템의 개략도,
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템에 있어서, 선회모터의 가속도와 장비 관성의 상관 관계를 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템을설명하기 위한 굴삭기의 개략도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명〉
11; 선회모터
12; 속도감지센서
13; 제어기
14; 인버터(inverter)
15; 선회 관성 검출기
16; 관성 토오크 보상기
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템은,
하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템에 있어서,
운전자에 의한 조작량에 비례하여 선회 조작신호를 출력하는 선회 조작레버(미도시됨)와,
선회 조작레버의 조작량에 대응되는 전기적 제어신호에 의해 구동되며, 선회 조작레버)의 조작량에 대응되는 제어신호에 따라 상부 선회체(b)를 하부 주행체(a)에 대해 선회시키는 전동식 선회모터(11)와,
선회모터(11)의 회전속도를 검출하는 속도감지센서(12)와,
선회 조작레버의 조작에 의한 선회 조작신호와, 속도감지센서(12)로부터 피이드백되는 회전속도의 검출신호에 의해 선회모터(11)의 구동속도를 산출하는 제어기(13)와,
제어기(13)로부터 전송되는 제어용 전류값에 의해 선회모터(11)를 구동시키며, 직류형태의 전류(DC)를 교류(AC)로 변환시키는 인버터(14)와,
붐, 아암, 버킷 및 이들을 각각 구동시키는 유압실린더로서 이뤄지는 작업장치(c)의 위치 변화에 따라 변화되는 장비의 선회 관성을 검출하여, 장비 관성에 따른 토오크 보상값을 출력하는 선회 관성 검출기(15)와,
선회 관성 검출기(15)에 의해 검출된 장비 관성에 따른 토오크 보상값과, 제어기(13)로부터의 토오크값을 비교하여 산출된 선회모터 제어용 토오크값을 인버터(14)에 출력하는 관성 토오크 보상기(16)를 포함한다.
이때, 도면에는 미 도시되었으나, 전술한 선회 관성 검출기(15)에 의해 검출되는 장비의 선회 관성 검출신호는, 아날로그 및 디지털신호, 또는 유,무선 통신중 선택되는 어느 하나에 의해 관성 토오크 보상기(16)에 전송된다.
전술한 선회 관성 검출기(15)는 작업장치용 각각의 유압실린더 위치 변화값을 실시간으로 검출하여, 검출된 각각의 유압실린더 위치 변화값의 조합을 이용하여 장비의 선회 관성을 검출한다.
전술한 선회 관성 검출기(15)는 회전속도센서(12)로부터 피이드백되는 선회모터(11)의 속도귀환값과 전류귀환값을 비교하여 선회모터(11)의 가속도값 및 토오크값을 예측하고, 이를 실시간으로 검출하여 관성값을 관성 토오크 보상기(16)에 전송한다.
이하에서, 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템의 사용예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3 및 도 5에서와 같이, 운전자에 의한 선회 조작레버의 조작량에 따른 선회모터 토오크 값과, 속도감지센서(12)로부터 피이드백되는 선회모터(11)의 실제 구동에 따른 속도귀환값이 제어기(13)에 입력된다. 즉 운전자에 의해 요구되는 조작신호값과 선회모터(11)의 속도귀환값을 비교하여 선회모터(11)를 구동시킬 수 있는 구동속도를 산출한다.
이와 동시에, 선회 관성 검출기(15)에서는 버킷 등을 포함하는 작업장치(c)의 위치 변화에 따른 장비의 관성을 검출하여 검출된 관성에 따른 토오크 보상값을 출력한다.
이로 인해, 전술한 관성 토오크 검출기(15)에서는 제어기(13)로부터 출력되는 토오크값과, 선회 관성 보상기(16)로부터 출력되는 토오크 보상값을 비교 판단하여, 선회모터(11)를 구동시킬 수 있는 구동속도를 산출하여 인버터(14)에 출력한다.
따라서 선회 관성 보상기(16)로부터 인버터(14)에 출력되는 제어신호에 의해 선회모터(11)를 구동시킬 수 있다.
일 예로서, 굴삭기의 관성(J)은 붐 등의 작업장치(c)의 위치 변화에 따라 변화되는 버킷팁(d)의 위치와 선회기준 축 즉, 선회모터(11)의 축과의 거리(x)에 따라 변화되어진다. 일반적으로 전술한 거리(x)값이 클수록 장비의 선회 관성값도 커지게 된다.
굴삭기를 이용한 상차작업에서와 같이, 선회 동작과 작업장치의 복합동작이 이뤄지는 작업시에는 작업장치(c)의 위치 변화에 따라 장비 관성이 변화된다. 이는 토오크(T), 관성(J), 그리고 가속도(α)의 상관 관계에 의해서 변화된다. 아래의 수식으로부터 장비의 가속도(α)는 토오크(T)가 일정할 경우, 장비의 관성(J)과 반비례하여 변화된다.
T = J×α, α = T/J.
전술한 선회 관성 검출기(15)를 통하여 거리(x)값의 변화에 따른 장비의 관성 변화를 토오크값의 제어로 보상해줌에 따라, 즉 토오크(T)/관성(J)을 일정하게 제어함에 따라 선회모터(11)를 일정한 가속도로써 제어할 수 있다(도 4의 그래프에 도시됨). 즉 장비의 선회 관성 변화에 무관하게 선회모터(11)를 일정한 가속도를 유지하여 제어할 수 있다.
이는 상차작업시 작업장치(c)의 위치 변화에 따른 선회장치의 가속 성능을 일정하게 유지할 수 있다. 이로 인해 굴삭기를 이용한 상차작업일 경우 선회 반복성을 증대시킴에 따라, 장비의 작업능률을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템에 의하면, 피이드백되는 선회모터의 회전속도값과 장비의 선회관성을 비교하여 선회관성 변화에 따라 토오크를 보상함에 따라, 굴삭기를 이용한 상차작업시 장비의 선회관성 변화에 무관하게 선회모터가 일정한 선회 가속도를 유지하므로 선회작업의 반복성을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템에 있어서:
    조작량에 비례하는 선회 조작신호를 출력하는 선회 조작레버와,
    상기 선회 조작레버의 조작량에 대응되는 전기적 제어신호에 따라 구동되는 전동식 선회모터와,
    상기 선회모터의 회전속도를 검출하는 속도감지센서와,
    상기 선회 조작레버의 조작에 의한 선회 조작신호와, 상기 속도감지센서로부터 피이드백되는 회전속도의 검출신호에 의해 상기 선회모터의 구동속도를 산출하는 제어기와,
    상기 제어기로부터 전송되는 제어용 전류값에 의해 선회모터를 구동시키는 인버터와,
    작업장치의 위치 변화에 따라 변화되는 장비의 선회 관성을 검출하여, 장비 관성에 따른 토오크 보상값을 출력하는 선회 관성 검출기와,
    상기 선회 관성 검출기에 의해 검출된 장비 관성에 따른 토오크 보상값과, 상기 제어기로부터의 토오크값을 비교하여 산출된 선회모터 제어용 토오크값을 인버터에 출력하는 관성 토오크 보상기를 포함하여 이뤄지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선회 관성 검출기에 의해 검출되는 장비의 선회 관성 검출신호는 아날로그 및 디지털신호, 또는 유,무선 통신중 선택되는 어느 하나에 의해 상기 관성 토오크 보상기에 전송되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 선회 관성 검출기는 작업장치용 각각의 유압실린더 위치 변화값을 실시간으로 검출하여, 검출된 각각의 유압실린더 위치 변화값의 조합을 이용하여 장비의 선회 관성을 검출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 선회 관성 검출기는 상기 회전속도센서로부터 피이드백되는 선회모터의 속도귀환값과 전류귀환값을 비교하여 선회모터의 가속도값 및 토오크값을 예측하고, 이를 실시간으로 검출하여 관성값을 관성 토오크 보상기에 전송하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 선회 제어시스템.
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