KR101112135B1

KR101112135B1 - 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101112135B1
Application number: KR1020090069023A
Authority: KR
Inventors: 강종민; 정안균; 이춘승; 김지윤; 최동욱; 조중선; 김성곤; 유봉수
Original assignee: 볼보 컨스트럭션 이큅먼트 에이비
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2012-02-22
Also published as: JP2011026948A; EP2281953A3; CN101985840B; US8738239B2; US20110029206A1; EP2281953A2; CN101985840A; JP5858452B2; KR20110011397A

Abstract

본 발명은 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 모습에 따라, 상부선회체를 선회시키는 선회용 전기모터 및 선회제어유닛을 포함하여 이루어지는 건설기계의 선회 제어시스템에 있어서, 전술한 선회제어유닛은: 선회조작을 위한 조작레버의 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 기준속도 산출수단; 기준 선회속도와 현재 피드백받은 전기모터에 의한 실제 선회속도와의 차이로부터 제1 속도변화량을 산출하며 최대가속도로부터 샘플링시간에 대한 제2 속도변화량을 산출하고 산출된 제1 속도변화량과 제2 속도변화량을 비교하여 작은 값을 전술한 피드백받은 실제 선회속도에 더하여 조작신호에 따른 선회속도를 결정하는 선회속도 결정수단; 및 결정된 선회속도에 대한 제어신호를 생성하여 전기모터의 출력토크를 제어하는 출력토크 제어수단; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템이 제안된다.

건설기계, 굴삭기, 선회제어, 전기모터, 기준 선회속도, 최대가속도, 제1 속도변화량, 제2 속도변화량

Description

전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템 및 방법{Swing Control System and Method Of Construction Machine Using Electric Motor}

본 발명은 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 건설기계, 특히 유압굴삭기의 상부 선회체 회전에 사용되는 유압모터를 대신하여, 기존의 유압시스템과 유사한 출력특성을 나타내는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템 및 방법에 관한 것이다.

종래의 상부선회체를 포함하는 건설기계, 특히 유압굴삭기의 상부 선회체 회전은 유압모터에 의해서 발생한다. 유압모터는 높은 토크 출력이 가능하며 제어가 비교적 간단한 유압시스템의 특성을 가진다. 유압시스템의 고 토크 출력을 다른 액추에이터로 대체하기 곤란하므로 여타 중장비등에 주로 사용되어 왔다. 유압모터를 이용한 유압 구동 시스템에서는 유압펌프로부터 토출을 제어하는 제어 밸브에서의 저항과 배관에서의 압력 손실, 그리고 유압회로에 잉여유량 발생 등에 의해 에너지 효율이 낮으며, 선회 후 정지 시 브레이킹(Braking) 에너지가 열에너지로 소모되어 이 역시 유압모터의 효율을 떨어트리는 원인이 된다.

그에 따라, 에너지 효율을 높이는 방법으로서 전기모터를 액추에이터로서 사용하는 것이 알려져 있다. 유압시스템보다 전기시스템의 효율이 월등이 우수하다. 그러나, 건설 기계의 선회모터로서 전기모터를 사용한 경우 에너지 효율이 향상되는 반면, 레버 조작에 대한 전기모터의 응답성이 유압 구동 시스템에 비해 지나치게 민감해지고, 이와 같이 전기모터의 응답성이 지나치게 민감하다여 오히려 유압 구동 방식보다도 조작성이 나빠지는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하고자, 유압모터를 대신 전기 선회모터를 적용한 종래의 기술로 한국 공개특허공보 제2005-0000530호 등이 있다.

전술한 공개특허는 굴삭기 유압시스템의 에뮬레이션 모델로부터 복잡한 지배방정식을 도출하여 실시간 연산을 통해 제어함으로써, 복잡한 계산으로 인해 제어연산시간이 많이 소요되고, 고속연산이 가능한 고성능 프로세서를 필요로 한다.

최근 기술의 발달로 인해 고토크 출력이 가능하고, 제어성능이 우수한 영구자석형 동기전동기(PMSM)의 개발되어, 이를 사용해 현재의 유압시스템을 대체하여 유압시스템의 문제점을 해결할 수 있으며, 정지 시 브레이킹 에너지를 PMSP의 발전구동을 통해 전기에너지 회수가 가능하므로 효율을 향상시킬 수 있다. 유압모터에서 영구자석형 동기전동기(PMSM)으로 선회시스템이 변경됨으로써 효율이 높아지는 대신, 액추에이터 변경에 따른 특성변화가 발생하면 기존 사용자들에게 불편함을 줄 수 있으며, 이는 작업효율 저하와 하이브리드 굴삭기 구매를 피하는 요인이 될 수 있다.

본 발명은 전술한 문제들을 해결하기 위한 것으로, 유압모터와 전기모터의 출력특성이 달라 동력원의 변경으로 인해 기존의 굴삭기 사용자들이 불편함을 느끼는 점을 해소하기 위해 기존의 유압시스템과 유사한 출력특성을 나타내기 위한 전기 선회시스템의 제어기술을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 시뮬레이션을 통해 검증된 간단한 방정식만을 포함하는 제어 알고리즘을 제어하도록 하여 저가형 컨트롤러의 사용으로도 전술한 문제를 해결 할 수 있는 제어기술을 제공하고자 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 하나의 모습에 따라, 상부선회체를 선회시키는 선회용 전기모터 및 선회제어유닛을 포함하여 이루어지는 건설기계의 선회 제어시스템에 있어서, 전술한 선회제어유닛은: 선회조작을 위한 조작레버의 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 기준속도 산출수단; 기준 선회속도와 현재 피드백받은 전기모터에 의한 실제 선회속도와의 차이로부터 제1 속도변화량을 산출하며 최대가속도로부터 샘플링시간에 대한 제2 속도변화량을 산출하고 산출된 제1 속도변화량과 제2 속도변화량을 비교하여 작은 값을 전술한 피드백받은 실제 선회속도에 더하여 조작신호에 따른 선회속도를 결정하는 선회속도 결정수단; 및 결정된 선회속도에 대한 제어신호를 생성하여 전기모터의 출력토크를 제어하는 출력토크 제어수단; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템을 제안한다.

바람직한 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 전술한 기준속도 산출수단은 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 경우 절대치의 미리 설정된 상한 범위내로 제한하여 산출한다. 또한, 전술한 미리 설정된 상한은 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 선회속도 및 최대가속도의 최대값인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직한 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 전술한 기준속도 산출수단 은 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하고 산출된 기준 선회속도와 최대가속도 각각에 건설기계의 엔진모드에 따른 속도 및 가속도 보정치를 각각 적용하여 기준 선회속도 및 최대가속도를 수정하고 수정된 기준 선회속도 및 최대가속도를 선회속도 결정수단으로 전송한다.

게다가, 바람직한 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 전술한 선회 제어시스템들은 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터를 저장하고 있는 메모리유닛을 더 포함하고, 선회제어유닛의 기준속도 산출수단은 메모리유닛에 저장된 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터로부터 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출한다.

또한, 본 발명의 하나의 모습에 따라, 전술한 기준속도 산출수단은 조작신호에 상응하는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압을 산출하고 메모리유닛에 저장된 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터로부터 전술한 산출된 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출한다.

게다가, 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 전술한 선회속도 결정수단은 조작신호에 상응하는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압이 미리 설정된 값 이하인 경우 제1 속도변화량과 제2 속도변화량의 비교없이 제1 속도변화량을 피드백받은 실제 선회속도에 더하여 조작신호에 따른 선회속도를 결정한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 하나의 모습에 따라, 선회 용 전기모터를 이용하여 상부선회체를 선회시키는 건설기계의 선회 제어방법에 있어서, 선회조작을 위한 조작레버의 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 기준속도 산출단계; 전기모터에 의한 실제 선회속도를 피드백받고 현재 피드백받은 실제 선회속도와 기준 선회속도의 차이로부터 제1 속도변화량을 산출하며 최대가속도로부터 샘플링시간에 대한 제2 속도변화량을 산출하는 속도변화량 산출단계; 제1 속도변화량과 제2 속도변화량을 비교하여 작은 값을 피드백받은 실제 선회속도에 더하여 조작신호에 따른 선회속도를 결정하는 선회속도 결정단계; 및 결정된 선회속도에 대한 제어신호를 생성하여 전기모터의 출력토크를 제어하는 출력토크 제어단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법이 제안된다.

바람직한 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 전술한 기준속도 산출단계에서는 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 경우 절대치의 미리 설정된 상한 범위내로 제한하여 산출한다. 또한, 미리 설정된 상한은 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 선회속도 및 최대가속도의 최대값이다.

또한, 바람직한 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 전술한 기준속도 산출단계에서는 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하고 산출된 기준 선회속도와 최대가속도 각각에 건설기계의 엔진모드에 따른 속도 및 가속도 보정치를 각각 적용하여 기준 선회속도 및 최대가속도를 수정한다. 또한, 전술한 속도변화량 산출단계에서는 수정된 기준 선회속도 및 최대가속도로부터 제1 속도변화량 및 제2 속도변화량을 산출한다.

게다가, 본 발명의 바람직한 또 하나의 모습에 따라, 전술한 기준속도 산출단계는: 조작신호에 상응하는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압을 산출하는 파일럿신호압 산출과정과; 미리 저장되어 있는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터로부터 전술한 산출된 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 기준선회속도 산출과정;을 포함하여 이루어진다.

나아가, 본 발명의 하나의 모습에 따라, 파일럿신호압 산출과정에서 산출된 파일럿 신호압이 미리 설정된 값 이하인 경우, 속도변화량 산출단계에서는 상기 제1 속도변화량을 산출하며, 또한 선회속도 결정단계에서는 제1 속도변화량과 제2 속도변화량의 비교없이 제1 속도변화량을 피드백받은 실제 선회속도에 더하여 조작신호에 따른 선회속도를 결정한다.

본 발명의 바람직한 실시예로 앞서 언급된 기술적 특징의 가능한 다양한 조합에 따른 실시예들이 포함될 수 있음은 자명하다.

본 발명의 모습에 따라, 전기모터의 장점을 그대로 유지하면서 기존 유압시스템과 유사한 특성을 가지는 건설기계의 선회시스템을 구현할 수 있다.

또한 본 발명의 하나의 모습에 따라, 시뮬레이션을 통해 검증된 간단한 방정 식만을 포함하는 연산을 수행하도록 하여 컨트롤러 연산속도에 많은 영향을 끼치지 않고 고속연산을 필요로 하지 않으므로 저가형 프로세서를 사용하더라도 제어가 가능하다.

본 발명의 다양한 실시예에 따라 직접적으로 언급되지 않은 다양한 효과들이 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 구성들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 도출될 수 있음은 자명하다.

전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일부호는 동일한 구성을 의미하고, 중복되거나 발명의 의미를 한정적으로 해석되게 할 수 있는 부가적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 생략될 수 있다.

우선, 본 발명의 하나의 모습에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템을 살펴본다.

도 1은 본 발명의 하나에 따른 전기모터를 이용한 건설기계 선회시스템의 제어를 나타내는 블럭 다이아그램이고, 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어를 나타내는 블럭 다이아그램이고, 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템의 개 략적인 블럭도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명은 상부선회체를 선회시키는 선회용 전기모터(200) 및 선회제어유닛(100)을 포함하여 이루어지는 건설기계의 선회 제어시스템에 관한 것이다. 바람직하게 본 발명의 하나의 실시예에서 선회용 전기모터(200)는 영구자석형 동기전동기 (PMSP)이다. 본 발명의 하나의 실시예에서 선회제어유닛(100)은 기준속도 산출수단(110), 선회속도 결정수단(130) 및 출력토크 제어수단(150)을 포함하여 이루어진다. 선회제어유닛(100)을 구체적으로 살펴본다.

먼저, 기준속도 산출수단(110)은 선회조작을 위한 조작레버(도시되지 않음)의 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출한다. 바람직하게는, 도 2를 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에서, 조작레버의 조작신호, 즉 조이스틱 각

(14)을 입력받아

에 따라 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터(16, 25)로부터 조이스틱 각

에 상응하는 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출한다.

바람직하게는 또 하나의 실시예에서, 도 2의 참조부호 17 및 26을 참조하면, 기준속도 산출수단(110)은 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 경우 절대치의 미리 설정된 상한 범위내로 제한하여 산출한다. 이 경우 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 선회속도 및 최대가속도의 최대값을 미리 설정된 상한으로 설정할 수 있다.

또한 바람직하게는, 도 2를 참조하면, 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 기준속도 산출수단(110)은 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하고 산출된 기준 선회속도와 최대가속도 각각에 건설기계의 엔진모드(18)에 따른 속도 및 가속도 보정치를 각각 적용하여 기준 선회속도 및 최대가속도를 수정하고(19, 27) 수정된 기준 선회속도 및 최대가속도를 선회속도 결정수단(130)으로 전송한다.

다음으로, 선회제어유닛(110)의 선회속도 결정수단(130)은 기준 선회속도와 현재 피드백받은 전기모터(200)에 의한 실제 선회속도(21)와의 차이로부터 제1 속도변화량(20)을 산출하며 최대가속도로부터 샘플링시간에 대한 제2 속도변화량(28)을 산출하고 산출된 제1 속도변화량(20)과 제2 속도변화량(28)을 비교하여 작은 값을 피드백받은 실제 선회속도(21)에 더하여 조작신호에 따른 선회속도(30)를 결정하게 된다. 도 3을 참조하면, 피드백 받은 실제 선회속도(21)는 선회속도검출수단(300)에 의해 검출된 선회모터(200)의 회전속도이다.

바람직하게는 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 선회속도 결정수단(130)은 조작신호에 상응하는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압이 미리 설정된 값 이하인 경우 제1 속도변화량(20)과 제2 속도변화량(28)의 비교없이 제1 속도변화량(20)을 피드백받은 실제 선회속도(21)에 더하여 조작신호에 따른 선회속도를 결정한다. 예컨대, 조작레버의 조이스틱 각이 중립에 가까운 상태에 있는 경우 감속 또는 정지명령에 해당되므로 최대가속도로부터 샘플링시간에 대한 제2 속도변화량(28)과 비교하지 않고 제1 속도변화량(20)을 사용하게 된다. 이는 종래 유압모터 의 경우 감속시 유체의 흐름자체를 막아 감속하는 특성때문에 가속시보다 감속이 더 빠르게 나타나므로, 이러한 기존의 유압시스템의 감속특성을 반영하여 기존 사용자들에게 불편을 주지 않도록 하기 위한 것이다.

그리고 출력토크 제어수단(150)은 결정된 선회속도에 대한 제어신호를 생성하여 전기모터(200)의 출력토크를 제어한다.

또한 도 3을 참조하면, 바람직한 본 발명의 하나의 실시예에서, 선회 제어시스템은 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터를 저장하고 있는 메모리유닛(400)을 더 포함하고 있다. 본 실시예에서 선회제어유닛(100)의 기준속도 산출수단(110)은 메모리유닛(400)에 저장된 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터로부터 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출한다.

게다가, 바람직한 또 하나의 실시예에서, 기준속도 산출수단(110)은 조작신호에 상응하는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압을 산출하고 메모리유닛(400)에 저장된 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터로부터 전술한 산출된 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출한다.

다음으로 본 발명의 다른 하나의 모습에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법을 살펴본다. 본 발명의 모습을 설명함에 있어서, 앞서 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템의 실시예에서 설명된 부분과 중복되는 부분에 대해서는 앞선 실시예의 설명을 참조하기로 하고 가급적 생략된다. 본 발명에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법은 선회용 전기모터(200)를 이용하여 상부선회체를 선회시키는 건설기계의 선회 제어방법에 관한 것이다.

도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법을 나타내는 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 다른 또 하나의 실시예에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2, 4 및 5를 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법은 기준속도 산출단계(S100, S100'), 속도변화량 산출단계(S200), 선회속도 결정단계(S300) 및 출력토크 제어단계(S400)를 포함하여 이루어진다.

기준속도 산출단계(S100, S100')에서는 선회조작을 위한 조작레버의 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출한다.

바람직한 하나의 실시예에서, 도 2의 17 및 26을 참조하면, 기준속도 산출단계(S100)에서는 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 경우 절대치의 미리 설정된 상한 범위내로 제한하여 산출한다. 바람직하게는, 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 선회속도 및 최대가속도의 최대값이 절대치의 미리 설정된 상한이 된다.

또한, 바람직한 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 도 2의 참조부호 19 및 27 을 참조하면, 기준속도 산출단계(S100)에서는 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하고 산출된 기준 선회속도와 최대가속도 각각에 건설기계의 엔진모드에 따른 속도 및 가속도 보정치

(19, 27)를 각각 적용하여 기준 선회속도 및 최대가속도를 수정한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 하나의 실시예에서, 기준속도 산출단계(S100')는 파일럿신호압 산출과정(S110)과 기준선회속도 산출과정(S120)을 포함하여 이루어진다. 파일럿신호압 산출과정(S110)에서는 조작신호에 상응하는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압을 산출한다. 그리고 기준선회속도 산출과정(S120)에서는 미리 저장되어 있는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터로부터 전술한 산출된 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출한다.

다음으로 속도변화량 산출단계(S200)에서는, 도 2를 참조하면, 전기모터(200)에 의한 실제 선회속도를 피드백받고 현재 피드백받은 실제 선회속도(21)와 기준 선회속도의 차이로부터 제1 속도변화량(20)을 산출하며 최대가속도로부터 샘플링시간에 대한 제2 속도변화량(28)을 산출한다.

바람직한 하나의 실시예에서, 도 2를 참조하면, 앞선 하나의 실시예에 따른 수정된 기준 선회속도 및 최대가속도로부터 속도변화량 산출단계(S200)에서는 제1 속도변화량(20) 및 제2 속도변화량(28)을 산출한다.

또한 도 5를 참조하면, 앞선 하나의 실시예에 다른 파일럿신호압 산출과정(S110)에서 산출된 파일럿 신호압이 미리 설정된 값 이하인 경우, 바람직한 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 속도변화량 산출단계(S200)에서는 제1 속도변화량(20)을 산출한다. 바람직하게는 제2 속도변화량(28)을 산출할 필요없이 제1 속도변화량(20)만을 산출할 수 있다. 예컨대, 조작레버의 조이스틱 각이 중립에 가까운 상태에 있는 경우 감속 또는 정지명령에 해당되므로 최대가속도로부터 샘플링시간에 대한 제2 속도변화량(28)과 비교할 필요없이 제1 속도변화량(20)을 사용하게 되기 때문이다.

그리고, 도 2를 참조하면, 선회속도 결정단계(S300)에서는 제1 속도변화량(20)과 제2 속도변화량(28)을 비교(22)하여 작은 값을 피드백받은 실제 선회속도(21)에 더하여 조작신호에 따른 선회속도(30)를 결정한다.

또한 도 5를 참조하면, 앞선 하나의 실시예에 다른 파일럿신호압 산출과정(S110)에서 산출된 파일럿 신호압이 미리 설정된 값 이하인 경우, 바람직한 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 선회속도 결정단계(S300)에서는 제1 속도변화량(20)과 제2 속도변화량(28)의 비교없이 제1 속도변화량(20)을 피드백받은 실제 선회속도(21)에 더하여 조작신호에 따른 선회속도(30)를 결정한다. 예컨대, 조작레버의 조이스틱 각이 중립에 가까운 상태에 있는 경우 감속 또는 정지명령에 해당되므로 최대가속도로부터 샘플링시간에 대한 제2 속도변화량(28)과 비교할 필요없이 제1 속도변화량(20)을 사용하게 되므로, 제1 속도변화량(20)만 산출하면 족하다.

하나의 실시예에 따른 선회 제어방법의 출력토크 제어단계(S400)에서는 결정된 선회속도(30)에 대한 제어신호를 생성하여 전기모터(200)의 출력토크(34)를 제어한다.

다음으로 도 1 및 2를 참조하여, 발명의 실시예에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어과정을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 하나에 따른 전기모터를 이용한 건설기계 선회시스템의 제어를 나타내는 블럭 다이아그램이다.

전기모터(200), 바람직하게는 PMSM을 적용한 전기 선회시스템의 컨트롤러 구성은 도 1에서 보듯이, 전기 선회컨트롤러 입력으로 선회명령에 해당하는 조작레버의 조작에 따른 조이스틱 각

(1)와 현재 건설기계, 예컨대 굴삭기의 엔진모드(2)정보가 사용자의 조작에 따라 주어지며, 속도제어를 위해 PMSM의 현재 회전속도

(12) 정보가 입력된다. 도 1에서의 전기 선회 컨트롤러는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 선회제어유닛(100)에 상응한다.

위 3가지 입력을 받아 모터 기준속도 레귤레이터(Motor Speed Reference Regulator)(3)에 의해 속도명령

이 출력되며, 이는 현재 회전속도

(12)와의 오차(Error)값(4)을 보정하기 위해 속도명령

와 오차값의 합이 스피드컨 트롤러(5)의 입력으로 가해진다. 바람직하게는, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 기준속도 산출수단(110)은 도 1에서 모터 기준속도 레귤레이터(3)에 상응한다. 스피드컨트롤러(5) 내 PI 제어를 통해 출력되는 토크명령 값은 기존 유압굴삭기의 출력보다 클 수 있으므로 기존 유압굴삭기의 최대토크값 이하로 포화되도록 하여(6) 전기 선회 컨트롤러의 토크명령

(7)으로 최종 출력된다. 도 1에서의 스피드컨트롤러(5)는 본 발명의 하나의 실시예에서 출력토크 제어수단(150)에 상응한다.

그리고 조이스틱 각

(1)가 특정값 이하일 때는 사용자가 선회명령을 가하지 않은 경우이므로 선회속도 감속 또는 정지명령으로 판단해 기계식 브레이크의 구동명령(13)으로 출력된다.

전기 선회 컨트롤러로부터 구동명령을 받는 건설기계, 예컨대 굴삭기의 선회플랜트(8)는 PMSM 드라이버(9), PMSM(10) 그리고 기계식 브레이크(11)를 포함하여 구성된다. 전기 선회 컨트롤러로부터 토크명령

이 PMSM 드라이버(9)에 가해지면 PMSM(10)이 동작되게 되며, PMSM의 속도출력

(12)에 의해 굴삭기의 선회동작이 발생한다.

도 2는 전기 선회 컨트롤러의 제어 흐름을 구체적으로 나타내고 있다.

바람직하게, 사용자의 조작레버의 조작에 따른 조이스틱 각

(14)는 -1 ~ 1사이의 값으로 규준화되어 전기 선회 컨트롤러에 입력된다. 여기서 -1은 역방향 최대입력, +1은 정방향 최대입력으로 간주한다. 조이스틱 각

에 따라 기존 유압모터의 경우 유량을 제어하는 파일럿 밸브의 압력이 조절되어 유압모터의 속도명령으로 가해지므로, 규준화(Normalize)된 조이스틱 각

의 절대값이 1일 때 파일럿 밸브 압력이 최대속도명령에 해당하는 값이 될 수 있도록 비례상수 값

(15)을 적용한다. 이렇게 인가된 파일럿 밸브 압력

에 따라 속도명령을 출력하는 방법은 기존 굴삭기 시스템의 파일럿 밸브 압력

대비 속도명령

맵(16)을 구성하여 도출한다. 이때 도출되는 속도명령

는 기존 유압모터의 최대속도값 이하로 포화(7)시킨다. 동일한 조이스틱 각

일 경우라도, 굴삭기의 엔진모드(18)에 따라 유압펌프의 출력은 비례하여 출력되므로 각 모드별 비례상수

(19)를 속도명령

에 적용한다. 해당 파일럿 밸브 압력

대비 속도명령

맵(16)은 실험을 통하여 획득한 데이터로부터 모드별 비례상수

(19)를 적용하였을 때 기존 유압모터와 유사한 출력을 낼 수 있도록 시뮬레이션을 통해 간단한 3차 방정식으로 도출하여 적용한 다. 이 과정을 통해 정해진 현재(t)의 속도명령

과 (t - 1)순간의 모터 속도 피드백(21)값

의 오차(Error)값은 제1 속도변화량

(20)에 해당한다.

또한 다른 제2 속도변화량

(28)은 파일럿 밸브 압력

에 따라 파일럿 밸브 압력

대비 가속도명령

맵(25)을 통해 기존 유압모터의 최대 가속도값 이하로 포화(26)하여 도출된다. 파일럿 밸브 압력

대비 가속도명령

맵(25)도 파일럿 밸브 압력

대비 속도명령

맵(16)과 동일한 방법으로 각 모드별 비례상수

(19)와 동일한 비례상수

(27)을 적용하였을 때 기존 유압모터와 유사한 출력을 낼 수 있도록 시뮬레이션을 통해 간단한 2차방정식으로 도출하여 적용한다.

제1 속도변화량

(20), 제2 속도변화량

(28) 중에서 더 작은 값을 최종 속도변화량 명령으로 선택(29)하여 (t - 1)순간의 모터 속도

과 합하여 최종 속도명령

(30)으로 PI 제어하는 스피드컨트롤러(31)에 입력된다.

다만,

값이 특정값 이하일 경우에는 조이스틱 각이 중립에 가까운 상태로 감속, 정지명령에 해당하므로, 제2 속도변화량

(28)와 비교하지 않고 제1 속도변화량

(20)을 사용한다. 이는 유압모터의 경우 감속 시 유체의 흐름 자체를 막아 감속하는 특성 때문에 가속 시보다 감속이 더 빠르게 나타나므로, 이러한 기존 유압시스템의 감속특성을 반영하여 기존 사용자들에게 불편함을 주지 않기 위함이다. 동시에 정지 시 브레이크 구동명령(33)도 출력한다.

위의 과정으로 최종 속도명령(30)은 PI 제어기(31)에 입력되어 토크명령으로 출력되며 기존 유압모터의 최대 토크값 이하로 포화(32)되어 전기 선회 컨트롤러 토크명령

(34)으로 최종 출력된다.

이상에서, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예들을 중심으로 설명되었다. 첨부된 도면 및 전술한 실시예들은 본 발명에 대한 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것이다. 그러므로, 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있고, 전술한 실시예들은 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예들이 아니라 첨부된 특허청구범위에 기재된 발명에 따라 해석되어야 하며, 당해 기술분야에서 통상 의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변경, 대안, 균등물들이 전술한 발명의 범위에 포함되어 있음은 자명하다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어를 나타내는 블럭 다이아그램이다.

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템의 개략적인 블럭도이다.

도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

도 5는 본 발명의 다른 또 하나의 실시예에 따른 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 선회제어유닛 110 : 기준속도산출수단

130 : 선회속도결정수단 150 : 출력토크제어수단

200 : 선회용 전기모터 300 : 선회속도검출유닛

400 : 메모리유닛

Claims

상부선회체를 선회시키는 선회용 전기모터 및 선회제어유닛을 포함하여 이루어지는 건설기계의 선회 제어시스템에 있어서,

상기 선회제어유닛은:

선회조작을 위한 조작레버의 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 기준속도 산출수단;

상기 기준 선회속도와 현재 피드백받은 상기 전기모터에 의한 실제 선회속도와의 차이로부터 제1 속도변화량을 산출하며 상기 최대가속도로부터 샘플링시간에 대한 제2 속도변화량을 산출하고 상기 제1 속도변화량과 제2 속도변화량을 비교하여 작은 값을 상기 피드백받은 실제 선회속도에 더하여 상기 조작신호에 따른 선회속도를 결정하는 선회속도 결정수단; 및

상기 결정된 선회속도에 대한 제어신호를 생성하여 상기 전기모터의 출력토크를 제어하는 출력토크 제어수단; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 기준속도 산출수단은 상기 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 경우 절대치의 미리 설정된 상한 범위내로 제한하여 산출하고,

상기 미리 설정된 상한은 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 선회속도 및 최대가속도의 최대값인 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 기준속도 산출수단은 상기 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하고 산출된 기준 선회속도와 최대가속도 각각에 건설기계의 엔진모드에 따른 속도 및 가속도 보정치를 각각 적용하여 기준 선회속도 및 최대가속도를 수정하고 수정된 기준 선회속도 및 최대가속도를 상기 선회속도 결정수단으로 전송하는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템.
청구항 1 내지 3 중의 어느 하나의 청구항에 있어서,

상기 선회 제어시스템은 기준속도에 상응하는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터를 저장하고 있는 메모리유닛을 더 포함하고,

상기 선회제어유닛의 기준속도 산출수단은 상기 메모리유닛에 저장된 상기 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터로부터 상기 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템.
청구항 4에 있어서,

상기 기준속도 산출수단은 상기 조작신호에 상응하는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압을 산출하고 상기 메모리유닛에 저장된 상기 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터로부터 상기 산출된 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템.
청구항 5에 있어서,

상기 선회속도 결정수단은 상기 조작신호에 상응하는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압이 미리 설정된 값 이하인 경우 상기 제1 속도변화량과 제2 속도변화량의 비교없이 상기 제1 속도변화량을 상기 피드백받은 실제 선회속도에 더하여 상기 조작신호에 따른 선회속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어시스템.
선회용 전기모터를 이용하여 상부선회체를 선회시키는 건설기계의 선회 제어 방법에 있어서,

선회조작을 위한 조작레버의 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 기준속도 산출단계;

상기 전기모터에 의한 실제 선회속도를 피드백받고 현재 피드백받은 상기 실제 선회속도와 상기 기준 선회속도의 차이로부터 제1 속도변화량을 산출하며 상기 최대가속도로부터 샘플링시간에 대한 제2 속도변화량을 산출하는 속도변화량 산출단계;

상기 제1 속도변화량과 제2 속도변화량을 비교하여 작은 값을 상기 피드백받은 실제 선회속도에 더하여 상기 조작신호에 따른 선회속도를 결정하는 선회속도 결정단계; 및

상기 결정된 선회속도에 대한 제어신호를 생성하여 상기 전기모터의 출력토크를 제어하는 출력토크 제어단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법.
청구항 7에 있어서,

상기 기준속도 산출단계에서는 상기 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 경우 절대치의 미리 설정된 상한 범위내로 제한하여 산출하고,

상기 미리 설정된 상한은 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 선회속도 및 최대가속도의 최대값인 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기 계의 선회 제어방법.
청구항 7에 있어서,

상기 기준속도 산출단계에서는 상기 조작신호에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하고 산출된 기준 선회속도와 최대가속도 각각에 건설기계의 엔진모드에 따른 속도 및 가속도 보정치를 각각 적용하여 기준 선회속도 및 최대가속도를 수정하고,

상기 속도변화량 산출단계에서는 상기 수정된 기준 선회속도 및 최대가속도로부터 제1 속도변화량 및 제2 속도변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법.
청구항 7 내지 9 중의 어느 하나의 청구항에 있어서,

상기 기준속도 산출단계는:

상기 조작신호에 상응하는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압을 산출하는 파일럿신호압 산출과정과;

미리 저장되어 있는 유압식 선회모터 사용시의 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도 응답 데이터로부터 상기 산출된 파일럿 신호압에 따른 기준 선회속도 및 최대가속도를 산출하는 기준선회속도 산출과정;을 포함하여 이루어 지는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법.
청구항 10에 있어서, 상기 파일럿신호압 산출과정에서 산출된 파일럿 신호압이 미리 설정된 값 이하인 경우,

상기 속도변화량 산출단계에서는 상기 제1 속도변화량을 산출하고,

상기 선회속도 결정단계에서는 상기 제1 속도변화량과 제2 속도변화량의 비교없이 상기 제1 속도변화량을 상기 피드백받은 실제 선회속도에 더하여 상기 조작신호에 따른 선회속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 전기모터를 이용한 건설기계의 선회 제어방법.