KR101634259B1 - 전동선회제어장치 및 선회용전동기의 제어방법 - Google Patents

전동선회제어장치 및 선회용전동기의 제어방법 Download PDF

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Abstract

전동선회제어장치(40)는, 하부 주행체(1)에 대해서 상부선회체(3)를 선회시키는 선회 기구(2)를 구동하는 선회용전동기(21)와, 선회용전동기(21)를 구동 제어하는 제어 장치(60)를 가진다. 제어 장치(60)는, 상부선회체(3)를 감속하여 선회 속도가 제로가 되었을 때의 선회용전동기(21)의 출력의 크기 혹은 출력의 방향에 근거하여, 상부선회체(3)의 선회 속도가 제로가 된 후에도 선회용전동기(21)의 출력을 계속시킨다.

Description

전동선회제어장치 및 선회용전동기의 제어방법{Electric turning control apparatus and control method for electric motor for turning}
본 발명은, 건설기계에 설치된 선회체를 구동하는 전동선회제어장치, 및 선회용전동기의 제어방법에 관한 것이다.
쇼벨 등의 건설기계는, 암이나 붐 등의 작업 기구를 선회시키면서 작업을 행하기 위하여 선회체(상부선회체라고 함)를 가지는 경우가 많다. 선회체를 선회 구동하기 위하여, 선회 기구가 설치된다. 선회 기구의 동력원으로서, 유압 모터 대신에 선회용전동기를 이용하는 경우가 있다.
선회 기구의 구동 제어에 비례 적분 제어(PI 제어: Proportional Integral Control)가 이용되는 경우가 많다. PI 제어에 의한 선회용전동기의 제어에서는, 선회체의 선회 속도에 관한 지령 속도와 실제의 선회 속도의 사이의 편차를 적분하여 선회용전동기의 토크를 제어한다. 이때, 소정의 선회 속도로 선회하고 있는 선회체를 감속하여 정지시키면, 정지 위치 부근에서 선회체가 요동하면서 정지하는 현상이 발생하는 경우가 있다. 이 요동을 반동이라고 한다. 반동의 원인은 몇 가지가 있으며, 그 하나는 상술의 PI 제어에 기인한 것이다.
선회 속도가 제로가 된 순간에는, 선회용전동기의 토크는 제로가 되지 않고, 선회용전동기는, 적분 제어에 관한 토크를 출력하고 있다. 선회체의 선회면이 수평면이라고 하면, 적분 제어에 관한 토크는 선회 방향과는 역방향의 토크이다. 이 토크에 의하여, 선회체는 정지한 후(속도 제로가 된 후) 반대 방향으로 선회한다. 그렇다면 적분 제어에 관한 토크도 역방향의 토크가 되고, 선회가 억제되어 속도가 제로가 되며, 또 반대 방향으로 토크가 발생하게 된다. 이와 같이 하여, 선회체는 정지 위치 부근에서 요동하면서 진폭이 감쇠되어 정지한다. 이 요동이 반동이다.
상술의 반동을 억제하기 위하여, 선회체의 속도가 제로가 된 순간에 적분 제어에 관한 토크를 제로로 리셋하는 것이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
선행기술문헌
(특허문헌)
특허문헌1: 일본 특허공개공보 2010-150896호
선회체의 속도가 제로가 된 순간에 적분 제어에 관한 토크를 제로로 리셋하면, 선회체의 선회면이 수평인 경우에는, 반동을 억제하는 효과가 있다. 그런데, 선회체의 선회면이 수평 방향에 대해서 경사져 있는 경우에는, 이하와 같은 문제가 발생할 우려가 있다. 즉, 선회체의 선회 중심에 대해 선회체의 무게중심이 어긋나 있는 경우에, 또한 선회면이 경사져 있는 경우에는, 반동을 억제하는 효과가 아닌, 선회체를 반대 방향으로 선회시키는 토크가 커져 버릴 우려가 있다.
구체적으로는, 선회체의 선회면이 수평면에 대해서 경사져 있고, 또한, 선회체의 무게중심이 경사면을 따라 하강하는 방향의 선회를 정지하는 경우가 있다. 이러한 조건의 선회를 “하강 선회”라고 한다.
“하강 선회”에서는, 선회체가 정지한 직후에 다시 자중에 의하여 선회하게 될 우려가 있다. 선회체를 경사면을 따라 경사진 상태로 정지하시켰을 때에는, 선회체가 경사면을 따라 하강하지 않도록, 선회용전동기의 토크를 어느 정도 남긴 상태로 해두지 않으면 안 된다. 이것은, 선회체의 속도가 제로가 된 순간에 선회용전동기의 토크를 제로로 리셋하면, 선회체의 정지를 유지하기 위한 토크(선회체의 속도를 제로로 유지하기 위한 토크)를 발생시킬 때까지의 동안에, 선회체가 자중에 의하여 하강 방향으로 선회하게 되는 것을 방지하기 위해서이다.
선회체의 선회면이 수평면에 대해서 경사져 있고, 또한, 상술의 하강 경사면 선회와는 반대로, 선회체의 무게중심이 경사면을 따라 상승하는 방향의 선회를 정지하는 경우가 있다. 이러한 조건의 선회를 “상승 선회”라고 한다.
“상승 선회”에서는, 비교적 큰 감속도로 정지한 경우에는, 선회체가 정지하기 직전에 선회용전동기가 발생하고 있는 적분 제어 토크는, 선회 방향과는 반대 방향의 토크로 되어 있다. 따라서, 선회체가 정지한 순간에 이 토크를 제로로 리셋함으로써 신속하게 반대 방향의 토크(선회체의 정지를 유지하는 방향의 토크)를 발생시킬 수 있다.
한편, “상승 선회”에 있어서, 비교적 완만하게 감속하여 정지한 경우에는, 선회체가 정지하기 직전에 선회용전동기가 발생하고 있는 적분 제어 토크는, 이미 선회체를 정지상태로 유지하기 위한 토크와 동일한 방향의 토크로 되어 있다. 따라서, 선회체가 정지한 순간에 이 토크를 제로로 리셋해 버리면, 다시 토크를 발생시킬 때까지의 동안의 선회체의 하강 방향의 선회를 조장하게 될 우려가 있다.
따라서, 상술의 문제를 해결한 전동선회제어장치 및 선회용전동기의 제어방법의 개발이 요망되고 있다.
본 발명의 일 실시양태에 의하면, 하부 주행체에 대해서 상부선회체를 선회시키는 선회 기구를 구동하는 선회용전동기와, 상기 선회용전동기를 구동 제어하는 제어 장치를 가지고, 상기 제어 장치는, 상기 상부선회체가 감속하여 선회 속도가 제로가 되었을 때의 상기 선회용전동기의 출력의 크기 혹은 출력의 방향에 근거하여, 상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 된 후에도 상기 선회용전동기의 출력을 계속시키는 것을 특징으로 하는 전동선회제어장치가 제공된다.
또, 하부 주행체에 대해서 상부선회체를 선회시키는 선회 기구를 구동하는 선회용전동기의 제어방법으로서, 상기 선회용전동기를 일 방향으로 회전 구동하여 상기 상부선회체를 상기 하부 주행체에 대해서 선회시키고, 상기 선회용전동기를 역방향으로 회전 구동하여 상기 상부선회체를 감속하며, 상기 상부선회체가 감속하여 선회 속도가 제로가 되었을 때의 상기 선회용전동기의 출력의 크기 혹은 출력의 방향에 근거하여, 상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 된 후에도 상기 선회용전동기의 출력을 계속시키는 것을 특징으로 하는 선회용전동기의 제어방법이 제공된다.
본 발명의 다른 목적, 특징, 및 이점은, 첨부의 도면을 참조하면서 이하의 발명의 상세한 설명을 읽음으로써, 더욱 명료해질 것이다.
상술의 발명에 의하면, 하부 주행체가 경사면에 설치되어 있는 경우에 상부선회체를 선회시킨 후 정지하였을 때에, 상부선회체의 반동을 억제하면서, 상부선회체의 낙하를 억제할 수 있다.
도 1은 하이브리드 쇼벨의 측면도이다.
도 2는 일 실시형태에 의한 하이브리드 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 축전계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 전동선회제어장치의 블록도이다.
도 5는 쇼벨이 수평인 면에 설치되었을 때의 상부선회체의 선회동작을 설명하기 위한 도이다.
도 6은 쇼벨이 수평면에 대해서 경사져 설치되었을 때에, 상부선회체가 중력에 거스르는 방향으로 선회 구동될 때의 선회동작을 설명하기 위한 도이다.
도 7은 쇼벨이 수평면에 대해서 경사져 설치되었을 때에, 상부선회체가 중력이 작용하는 방향으로 선회 구동될 때의 선회동작을 설명하기 위한 도이다.
도 8은 쇼벨이 평지에 설치되어 있을 때에 상부선회체를 선회로부터 정지할 때의, 속도지령치, 계측 속도치, 및 토크 지령치의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 7에 나타내는 예에 있어서, 토크 지령치의 리셋을 행한 경우를 나타내는 그래프이다.
도 10은 쇼벨이 경사지에 설치되어 있을 때에 상부선회체를 상승 선회로부터 신속하게 정지시킬 때의, 속도지령치, 계측 속도치, 및 토크 지령치의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 10에 나타내는 예에 있어서, 토크 지령치의 리셋을 행한 경우를 나타내는 그래프이다.
도 12는 쇼벨이 경사지에 설치되어 있을 때에 상부선회체를 상승 선회로부터 천천히 정지시킬 때의, 속도지령치, 계측 속도치, 및 토크 지령치의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 12에 나타내는 예에 있어서, 토크 지령치의 리셋을 행한 경우를 나타내는 그래프이다.
도 14는 쇼벨이 경사지에 설치되어 있을 때에 상부선회체를 하강 선회로부터 정지시킬 때의, 속도지령치, 계측 속도치, 및 토크 지령치의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 15는 도 14에 나타내는 예에 있어서, 토크 지령치의 리셋을 행한 경우를 나타내는 그래프이다.
도 16은 상부선회체의 선회를 정지할 때의 선회용전동기의 토크 제어 처리의 플로우차트이다.
도 1은, 일 실시형태에 의한 전동 선회 구동장치를 포함하는 건설기계의 일례인 하이브리드 쇼벨의 측면도이다.
하이브리드 쇼벨의 하부 주행체(1)에는, 선회 기구(2)를 통하여 상부선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부선회체(3)에는, 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)과, 이들을 유압 구동하기 위한 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)가 설치된다. 또, 상부선회체(3)에는, 캐빈(10) 및 동력원이 탑재된다. 또한, 상부선회체(3)에는, 버킷(6)과는 반대측에 카운터 웨이트(3a)가 탑재된다.
도 2는, 하이브리드 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에서는, 기계적동력계를 이중선, 고압유압라인을 실선, 파일럿라인을 파선, 전기구동·제어계를 일점 쇄선으로 각각 나타낸다.
기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 모두 변속기(13)의 입력축에 접속되어 있다. 또, 변속기(13)의 출력축에는, 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다.
컨트롤밸브(17)는, 유압계의 제어를 행하는 제어 장치이다. 컨트롤밸브(17)에는, 하부 주행체(1)용의 유압 모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)가 고압유압라인을 통하여 접속된다.
전동발전기(12)에는, 인버터(18)를 통하여, 축전용의 커패시터 또는 배터리를 포함하는 축전장치(120)가 접속되어 있다. 본 실시형태에서는 축전장치(120)는 축전기로서 커패시터를 포함하는 것으로 한다. 축전장치(120)에는, 인버터(20)를 통하여 선회용전동기(21)가 접속되어 있다.
도 3은 축전장치(120)의 구성을 나타내는 블록도이다. 축전장치(120)는, 축전기로서의 커패시터(19)와, 승강압 컨버터(100)와 DC 버스(110)를 포함한다. DC 버스(110)는, 커패시터(19), 전동발전기(12), 및 선회용전동기(21)의 사이에서의 전력의 수수(授受)를 제어한다. 커패시터(19)에는, 커패시터 전압치를 검출하기 위한 커패시터 전압 검출부(112)와, 커패시터 전류치를 검출하기 위한 커패시터 전류 검출부(113)가 설치되어 있다. 커패시터 전압 검출부(112)와 커패시터 전류 검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치와 커패시터 전류치는, 컨트롤러(30)에 공급된다.
승강압 컨버터(100)는, 전동발전기(12) 및 선회용전동기(21)의 운전 상태에 따라, DC 버스 전압치를 일정한 범위 내에 들어가도록 승압동작과 강압동작을 전환하는 제어를 행한다. DC 버스(110)는, 인버터(18, 20)와 승강압 컨버터(100)와의 사이에 배치되어 있으며, 커패시터(19), 전동발전기(12), 및 선회용전동기(21)의 사이에서의 전력의 수수를 행한다. 또, 상술의 예에서는 축전기로서 커패시터를 이용하고 있지만, 커패시터 대신에, 리튬 이온 전지 등의 충전 가능한 이차전지, 또는, 전력의 수수가 가능한 그 외의 형태의 전원을 축전기로서 이용하여도 된다.
도 2로 되돌아와, 선회용전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메커니컬브레이크(23), 및 선회감속기(24)가 접속된다. 또, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다.
조작장치(26)에는, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 레버 조작 검출부로서의 압력센서(29)가 각각 접속된다. 압력센서(29)에는, 전기계의 구동 제어를 행하는 컨트롤러(30)가 접속되어 있다.
엔진(11), 전동발전기(12), 및 선회용전동기(21) 등의 동력원은, 도 1에 나타내는 상부선회체(3)에 탑재된다. 이하, 각 부분에 대하여 설명한다.
엔진(11)은, 예를 들면, 디젤 엔진으로 구성되는 내연기관이며, 그 출력축은 변속기(13)의 일방의 입력축에 접속된다. 이 엔진(11)은, 쇼벨의 운전 중에는 상시 운전된다.
전동발전기(12)는, 역행 운전 및 회생 운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 된다. 여기에서는, 전동발전기(12)로서, 인버터(20)에 의하여 교류 구동되는 전동발전기를 나타낸다. 전동발전기(12)는, 예를 들면, 자석이 로터 내부에 내장된 IPM(Interior Permanent Magnetic) 모터로 구성할 수 있다. 전동발전기(12)의 회전축은 변속기(13)의 타방의 입력축에 접속된다.
변속기(13)는, 2개의 입력축과 1개의 출력축을 가진다. 2개의 입력축의 각각에는, 엔진(11)의 구동축과 전동발전기(12)의 구동축이 접속된다. 출력축에는 메인펌프(14)의 구동축이 접속된다. 엔진(11)의 부하가 큰 경우에는, 전동발전기(12)가 역행 운전을 행하여, 전동발전기(12)의 구동력이 감속기(13)의 출력축을 거쳐 메인펌프(14)에 전달된다. 이로써 엔진(11)의 구동이 어시스트된다. 한편, 엔진(11)의 부하가 작은 경우는, 엔진(11)의 구동력이 감속기(13)를 거쳐 전동발전기(12)에 전달됨으로써, 전동발전기(12)가 회생 운전에 의한 발전을 행한다. 전동발전기(12)의 역행 운전과 회생 운전의 전환은, 컨트롤러(30)에 의하여, 엔진(11)의 부하 등에 따라 행해진다.
메인펌프(14)는, 컨트롤밸브(17)에 공급하기 위한 유압을 발생하는 펌프이다. 메인펌프(14)가 발생시킨 유압은, 컨트롤밸브(17)를 통하여 유압 모터(1A, 1B), 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)의 각각을 구동하기 위하여 공급된다. 파일럿펌프(15)는, 유압 조작계에 필요한 파일럿압을 발생시키는 펌프이다.
컨트롤밸브(17)는, 고압유압라인을 통하여 접속되는 하부 주행체(1)용의 유압 모터(1A, 1B), 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)의 각각에 공급하는 유압을 운전자의 조작 입력에 따라 제어함으로써, 이들을 유압 구동 제어하는 유압 제어 장치이다.
인버터(18)는, 상술과 같이 전동발전기(12)와 축전장치(120)와의 사이에 설치되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 전동발전기(12)의 운전 제어를 행한다. 이로써, 인버터(18)가 전동발전기(12)의 역행을 운전 제어하고 있을 때에는, 필요한 전력을 축전장치(120)로부터 전동발전기(12)에 공급한다. 또, 전동발전기(12)의 회생을 운전 제어하고 있을 때에는, 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력을 축전장치(120)의 커패시터(19)에 축전한다.
축전장치(120)는, 인버터(18)와 인버터(20)와의 사이에 배치되어 있다. 이로써, 전동발전기(12)와 선회용전동기(21) 중 적어도 어느 일방이 역행 운전을 행하고 있을 때에는, 축전장치(120)는, 역행 운전에 필요한 전력을 공급한다. 전동발전기(12)와 선회용전동기(21) 중 적어도 어느 일방이 회생 운전을 행하고 있을 때에는, 축전장치(120)는 회생 운전에 의하여 발생한 회생 전력을 전기 에너지로서 축적한다.
인버터(20)는, 상술과 같이 선회용전동기(21)와 축전장치(120)와의 사이에 설치되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 선회용전동기(21)에 대해서 운전 제어를 행한다. 이로써, 인버터가 선회용전동기(21)의 역행을 운전 제어하고 있을 때에는, 필요한 전력을 축전장치(120)로부터 선회용전동기(21)에 공급한다. 또, 선회용전동기(21)가 회생 운전을 하고 있을 때에는, 선회용전동기(21)에 의하여 발전된 전력을 축전장치(120)의 커패시터(19)에 축전한다.
선회용전동기(21)는, 역행 운전 및 회생 운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 되고, 상부선회체(3)의 선회 기구(2)를 구동하기 위하여 설치되어 있다. 역행 운전 시에는, 선회용전동기(21)의 회전 구동력의 회전력이 감속기(24)로 증폭되어, 상부선회체(3)가 가감속 제어되어 회전운동을 행한다. 또, 상부선회체(3)의 관성 회전에 의하여, 감속기(24)로 회전수가 증가되어 선회용전동기(21)에 전달되어, 회생 전력을 발생시킬 수 있다. 여기에서는, 선회용전동기(21)로서, PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호에 의하여 인버터(20)에 의해 교류 구동되는 전동기를 나타낸다. 선회용전동기(21)는, 예를 들면, 자석 내장형의 IPM 모터로 구성할 수 있다. 이로써, 보다 큰 유도 기전력을 발생시킬 수 있으므로, 회생 시에 선회용전동기(21)에서 발전되는 전력을 증대시킬 수 있다.
다만, 축전장치(120)의 커패시터(19)의 충방전 제어는, 커패시터(19)의 충전 상태, 전동발전기(12)의 운전 상태(역행 운전 또는 회생 운전), 선회용전동기(21)의 운전 상태(역행 운전 또는 회생 운전)에 근거하여, 컨트롤러(30)에 의하여 행해진다.
리졸버(22)는, 선회용전동기(21)의 회전축(21A)의 회전위치 및 회전 각도를 검출하는 센서이다. 리졸버(22)는, 선회용전동기(21)와 기계적으로 연결함으로써 선회용전동기(21)의 회전 전의 회전축(21A)의 회전위치와, 좌회전 또는 우회전한 후의 회전위치와의 차이를 검출함으로써, 회전축(21A)의 회전 각도 및 회전 방향을 검출한다. 선회용전동기(21)의 회전축(21A)의 회전 각도를 검출함으로써, 선회 기구(2)의 회전 각도 및 회전 방향을 구할 수 있다.
메커니컬브레이크(23)는, 기계적인 제동력을 발생시키는 제동 장치이며, 선회용전동기(21)의 회전축(21A)을 기계적으로 정지시킨다. 메커니컬브레이크(23)는, 전자식 스위치에 의하여 제동/해제가 전환된다. 이 전환은, 컨트롤러(30)에 의하여 행해진다.
선회변속기(24)는, 선회용전동기(21)의 회전축(21A)의 회전속도를 감속하여 선회 기구(2)에 기계적으로 전달하는 변속기이다. 이로써, 역행 운전 시에는, 선회용전동기(21)의 회전력을 증력시켜, 보다 큰 회전력으로 하여 선회체로 전달할 수 있다. 이와는 반대로, 회생 운전 시에는, 선회체에서 발생한 회전수를 증가시켜, 보다 많은 회전 동작을 선회용전동기(21)에 발생시킬 수 있다.
선회 기구(2)는, 선회용전동기(21)의 메커니컬브레이크(23)가 해제된 상태에서 선회 가능해지고, 이로써, 상부선회체(3)가 좌방향 또는 우방향으로 선회된다.
조작장치(26)는, 선회용전동기(21), 하부 주행체(1), 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)을 조작하기 위한 조작장치이며, 레버(26A 및 26B)와 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A)는, 선회용전동기(21) 및 암(5)을 조작하기 위한 레버이고, 상부선회체(3)의 운전석 근방에 설치된다. 레버(26B)는, 붐(4) 및 버킷(6)을 조작하기 위한 레버이고, 운전석 근방에 설치된다. 또, 페달(26C)은, 하부 주행체(1)를 조작하기 위한 한 쌍의 페달이고, 운전석의 발 밑에 설치된다.
조작장치(26)는, 파일럿라인(25)을 통하여 공급되는 유압(1차측의 유압)을 운전자의 조작량(예를 들면, 중립 위치를 기준으로 한 레버 경사 각도임.)에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작장치(26)로부터 출력되는 2차측의 유압은, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)에 공급됨과 함께, 압력센서(29)에 의하여 검출된다.
레버(26A 및 26B)와 페달(26C)의 각각이 조작되면, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 구동되고, 이로써, 유압 모터(1A, 1B), 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9) 내의 유압이 제어됨으로써, 하부 주행체(1), 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 구동된다.
다만, 유압라인(27)은, 유압 모터(1A 및 1B)를 조작하기 위하여 1개씩(즉 합계 2개), 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)를 각각 조작하기 위하여 2개씩(즉 합계 6개) 설치된다. 따라서, 유압라인(27)은, 실제로는 전부 8개 있지만, 설명의 편의상, 1개로 일괄하여 나타나 있다.
레버 조작 검출부로서의 압력센서(29)는, 레버(26A)의 조작에 따른, 유압라인(28) 내의 유압의 변화를 검출한다. 압력센서(29)는, 유압라인(28) 내의 유압을 나타내는 전기신호를 출력한다. 이 전기신호는, 컨트롤러(30)에 입력된다. 이로써, 레버(26A)의 조작량을 정확하게 파악할 수 있다. 본 실시형태에서는, 레버 조작 검출부로서의 압력센서를 이용하였지만, 레버(26A)의 조작량을 그대로 전기신호로 독출하는 센서를 이용하여도 된다.
컨트롤러(30)는, 쇼벨의 구동 제어를 행하는 제어 장치이며, 구동제어장치(32), 전동선회제어장치(40), 및 주제어부(60)를 포함한다. 컨트롤러(30)는, CPU(Central Processing Unit) 및 내부 메모리를 포함하는 연산 처리 장치로 구성된다. 구동제어장치(32), 전동선회제어장치(40) 및 주제어부(60)는, 컨트롤러(30)의 CPU가 내부 메모리에 격납되는 구동 제어용의 프로그램을 실행함으로써, 실현되는 장치이다.
속도지령변환부(31)는, 압력센서(29)로부터 입력되는 신호를 속도지령으로 변환하는 연산 처리부이다. 이로써, 레버(26A)의 조작량은, 선회용전동기(21)를 회전 구동시키기 위한 속도지령(rad/s)으로 변환된다. 이 속도지령은, 구동제어장치(32), 전동선회제어장치(40) 및 주제어부(60)에 입력된다.
구동제어장치(32)는, 전동발전기(12)의 운전 제어(역행 운전 또는 회생 운전의 전환) 및 커패시터(19)의 충방전 제어를 행하기 위한 제어 장치이다. 구동제어장치(32)는, 엔진(11)의 부하 상태와 커패시터(19)의 충전 상태에 따라, 전동발전기(12)의 역행 운전과 회생 운전을 전환한다. 구동제어장치(32)는, 전동발전기(12)의 역행 운전과 회생 운전을 전환함으로써, 인버터(18)를 통하여 커패시터(19)의 충방전 제어를 행한다.
도 4는, 본 실시형태에 의한 전동선회제어장치(40)의 구성을 나타내는 블록도이다. 전동선회제어장치(40)는, 인버터(20)를 통하여 선회용전동기(21)의 구동 제어를 행하여 상부선회체(3)의 선회동작을 제어하기 위한 제어 장치이다. 전동선회제어장치(40)는, 선회용전동기(21)를 구동하기 위한 토크 전류 증감치(토크 지령치)를 생성하는 구동지령생성부(50), 및, 주제어부(60)를 포함한다.
구동지령생성부(50)에는, 레버(26A)의 조작량에 따라 속도지령변환부(31)로부터 출력되는 속도지령이 입력되고, 이 구동지령생성부(50)는 속도지령에 근거하여 토크 전류 증감치를 생성한다. 구동지령생성부(50)로부터 출력되는 토크 전류 증감치는 인버터(20)에 입력되고, 이 인버터(20)에 의하여 선회용전동기(21)가 PWM 제어 신호에 의하여 교류 구동된다.
인버터(20)는, 구동지령생성부(50)로부터 받은 토크 전류 증감치에 따라 토크 전류치를 증감시켜 전동기(21)를 좌방향 또는 우방향으로 가속 또는 감속시킨다. 다만, 인버터(20)는, 예를 들면, 토크 전류치가 마이너스측으로 클수록 상부선회체(3)를 좌방향으로 선회시키는 선회용전동기(21)의 토크를 증대시키도록 하고, 토크 전류치가 플러스측으로 클수록 상부선회체(3)를 우방향으로 선회시키는 선회용전동기(21)의 토크를 증대시키도록 한다.
주제어부(60)는, 전동선회제어장치(40)의 제어 처리에 필요한 주변 처리를 행하는 제어부이다. 구체적인 처리 내용에 대해서는, 관련 개소에 있어서 그때마다 설명한다.
구동지령생성부(50)는, 감산기(51), PI 제어부(52), 토크제한부(53), 및 선회동작검출부(58)를 포함한다. 이 구동지령생성부(50)의 감산기(51)에는, 레버(26A)의 조작량에 따른 선회 구동용의 속도지령(rad/s)이 입력된다.
감산기(51)는, 레버(26A)의 조작량에 따른 속도지령의 값(이하, 속도지령치)으로부터, 선회동작검출부(58)에 의하여 검출되는 선회용전동기(21)의 회전속도(rad/s)를 감산하여 편차를 출력한다. 이 편차는, 후술하는 PI 제어부(52)에 있어서, 선회용전동기(21)의 회전속도를 속도지령치(목표치)에 근접시키기 위한 PI 제어에 이용된다.
PI 제어부(52)는, 감산기(51)로부터 입력되는 편차에 근거하여, 선회용전동기(21)의 회전속도를 속도지령치(목표치)에 근접시키도록(즉, 이 편차를 작게 하도록) PI 제어를 행하고, 이로 인하여 필요한 토크 전류 증감치를 연산한다. 생성된 토크 전류 증감치는, 토크제한부(53)에 입력된다.
구체적으로는, PI 제어부(52)는, 이번 제어 사이클에 있어서 감산기(51)로부터 입력되는 편차에 소정의 비례(P) 게인을 곱한 값(비례 성분)과, 이번 제어 사이클에 있어서 감산기(51)로부터 입력되는 편차와 전회의 제어 사이클까지 적산된 편차의 적산치(적분치)를 가산한 것에 소정의 적분(I) 게인을 곱한 값(적분 성분)을 가산하여 토크 전류 증감치를 구한다.
또, PI 제어부(52)는, 레버(26A)의 조작량이 좌(우)방향 선회 구동 영역으로부터 영속도지령 영역으로 이행하고, 혹은 영속도지령 영역을 넘어 더욱 불감대 영역으로 이행함으로써, 영속도지령에 의하여 선회 제동이 개시된 경우(선회 모드로부터 정지(유지 제어) 모드로 천이한 경우)에, 선회용전동기(21)의 회전속도가 최초로 영(0)에 도달한 타이밍에서 편차의 적산치(적분치)를 리셋한다(0으로 한다).
이와 같이, PI 제어부(52)는, 선회 전동기(21)의 회전속도가 영이 된 시점에서 피드백 제어의 적분 성분을 리셋함으로써 제동 토크가 과도하게 잔존하는 것을 방지하도록 하여 반동을 억제할 수 있다. 한편, PI 제어부(52)는, 선회 전동기(21)의 회전속도가 영이 된 시점이어도 피드백 제어 자체는 계속하고 있으므로, 영속도지령과 회전속도에 편차가 발생하면 PI 제어에 의한 보정 동작이 행해져, 선회 정지 시기가 지연되는 것을 방지할 수 있다.
다만, 선회 전동기(21)의 회전속도가, 우방향 선회일 때에 정의 값으로 나타나고, 좌방향 선회일 때에 부의 값으로 나타나기 때문에, PI 제어부(52)는, 선회 제동 개시 전의 선회 방향이 좌방향이었을 경우에는 선회용전동기(21)의 회전속도가 0 이하가 된 것을 검출한 타이밍에 있어서, 혹은, 선회 제동 개시 전의 선회 방향이 우방향이었을 경우에는 선회용전동기(21)의 회전속도가 0 이상이 된 것을 검출한 타이밍에 있어서, 편차의 적산치(적분치)를 리셋한다. 혹은, PI 제어부(52)는, 선회용전동기(21)의 회전속도를 절대치로 하고, 선회 방향에 관계없이 그 절대치가 0 이하가 된 타이밍에서 편차의 적산치(적분치)를 리셋하도록 하여도 된다.
선회용전동기(21)의 회전속도가 최초로 영(0)에 도달하였는지 아닌지의 판정은 주제어부(60)에 의하여 실행되고, PI 제어부(52)는, 선회용전동기(21)의 회전속도가 최초로 영(0)에 도달하였다는 판정 결과를 받아 적분 성분의 리셋을 실행한다.
토크제한부(53)는, 레버(26A)의 조작량에 따라 토크 전류 증감치의 변동폭을 제한하는 처리를 행한다.
이러한 토크 전류 증감치의 변동폭의 제한은, PI 제어부(52)에 의하여 연산되는 토크 전류 증감치가 급격하게 변동하면 선회 제어성이 악화되기 때문에, 이 악화를 억제하기 위하여 행해진다. 이 제한 특성은, 상부선회체(3)의 좌방향 및 우방향의 쌍방향에 있어서의 급선회를 제한하기 위한 특성을 가지는 것이며, 레버(26A)의 조작량의 증대에 따라 토크 전류 증감치의 변동폭을 완만하게 증대시키는 특성을 가진다.
제한 특성을 나타내는 데이터(예를 들면, 참조 테이블의 형식으로 제공됨.)는, 주제어부(60)의 내부 메모리에 격납되어 있으며, 토크제한부(53)에 의하여 독출된다.
다음으로, 상술의 하이브리드 쇼벨의 상부선회체(3)의 선회동작에 대하여 설명한다.
도 5는 쇼벨이 수평인 면에 설치되었을 때의 상부선회체(3)의 선회동작을 설명하기 위한 도이다. 도 6은 쇼벨이 수평면에 대해서 경사져 설치되었을 때에, 상부선회체(3)가 중력에 거스르는 방향으로 선회 구동될 때의 선회동작을 설명하기 위한 도이다. 도 7은 쇼벨이 수평면에 대해서 경사져 설치되었을 때에, 상부선회체(3)가 중력이 작용하는 방향으로 선회 구동될 때의 선회동작을 설명하기 위한 도이다.
쇼벨이 평지(수평면)에 설치되었을 때는, 상부선회체(3)가 우측 선회하여도 좌측 선회하여도, 선회동작에 대한 중력의 영향은 없다. 통상, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이 붐(4)을 내려 암(5)을 뻗은 상태에서는, 버킷(6), 암(5), 및 붐(4)을 포함하는 상부선회체(3)의 무게중심(G)은, 상부선회체의 선회 중심(C)에 일치하지 않고, 버킷(6)측에 있다. 상부선회체(3)의 선회면이 수평면에 일치하고 있는 경우, 즉 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 상부선회체(3)의 선회축이 연직 방향에 일치하고 있는 경우, 상부선회체(3)의 선회동작에 대해서 중력의 영향은 없다.
한편, 쇼벨이 경사면에 설치되어 있는 경우에는, 상부선회체(3)의 선회동작에 대해서 중력의 영향이 있다. 도 6은 쇼벨이 경사지(경사면)에 설치되어 있는 상태를 나타내고 있다. 도 6에 나타내는 예에서는, 상부선회체(3)의 무게중심(G)이 경사면을 따라 상방으로 선회 이동하도록 상부선회체(3)를 선회하고 있다(이 선회를 “상승 선회”라고 함). 이때, 상부선회체(3)를 선회 구동하는 방향에 대해서, 상부선회체(3)에 가해지는 중력은 반대 방향으로 작용한다. 따라서, 도 6에 나타내는 상태에 있을 때는, 상부선회체(3)는 무게중심(G)의 위치가 경사면을 따라 하강하는 방향으로 자중으로 선회하려고 한다. 즉, 제로 속도 제어로 상부선회체(3)를 정지시켜 두기 위해서는, 선회용전동기(21)로 중력작용방향과는 반대 방향의 토크를 가해 둘 필요가 있다. 또, 무게중심(G)이 카운터 웨이트(3a)측에 있는 경우에는, 상부선회체(3)에 대해서 작용하는 자중은 역방향이 된다. 이로 인하여, 선회용전동기(21)로 가하는 토크도 역방향이 된다.
도 7도 쇼벨이 경사지(경사면)에 설치되어 있는 상태를 나타내고 있다. 도 7에 나타내는 예에서는, 상부선회체(3)의 무게중심(G)이 경사면을 따라 하방으로 선회 이동하도록 상부선회체(3)를 선회하고 있다(이 선회를 “하강 선회”라고 함). 이때, 상부선회체(3)를 선회 구동하는 방향에 대해서, 상부선회체(3)에 가해지는 중력도 동일한 방향으로 작용한다. 따라서, 도 6에 나타내는 상태와 마찬가지로, 도 7에 나타내는 상태에 있을 때는, 상부선회체(3)는 무게중심(G)의 위치가 경사면을 따라 하강하는 방향으로 자중으로 선회하려고 한다. 즉, 제로 속도 제어로 상부선회체(3)를 정지시켜 두기 위해서는, 선회용전동기(21)로 중력작용방향과는 반대 방향의 토크를 가해 둘 필요가 있다. 또, 무게중심(G)이 카운터 웨이트(3a)측에 있는 경우에는, 상부선회체(3)에 대해서 작용하는 자중은 역방향이 된다. 이로 인하여, 선회용전동기(21)로 가하는 토크도 역방향이 된다.
다음으로, 본 실시형태에 의한 선회 구동제어장치(40)가 행하는 제어 처리에 대하여 설명한다. 여기에서는, 상부선회체(3)의 무게중심(G)이 버킷(6)측에 있는 것을 전제로 한다.
선회 구동제어장치(40)는, 상술과 같이 상부선회체(3)를 감속하여 선회 속도가 제로가 되었을 때에(즉, 선회용전동기(21)의 회전속도가 제로가 되었을 때에), 선회용전동기(21)의 토크 지령치를 제로로 리셋함으로써, 상부선회체(3)의 반동을 억제한다. 단, 토크 지령치를 제로로 리셋함으로써 상부선회체(3)의 반동을 억제하는 효과가 얻어지는 것은, 1) 쇼벨이 평지에 설치되어 있을 때이거나, 혹은, 2) 경사지에 설치되어 있어 상승 선회로부터 신속하게 정지할 때이다. 즉, 3) 쇼벨이 경사지에 설치되어 있어 상승 선회로부터 천천히 정지할 때, 및 4) 쇼벨이 경사지에 설치되어 있어 하강 선회로부터 정지할 때에는, 토크 지령치를 제로로 리셋하면 불리한 효과가 발생하므로, 이 경우에는 토크 지령치의 리셋은 행하지 않는다.
이하에, 상술의 1)~4)의 4개의 조건에 있어서의 토크 지령치의 제어에 대하여 설명한다.
1) 쇼벨이 평지에 설치된 상태로, 선회를 정지할 때의 제어:
도 8은, 쇼벨이 도 5에 나타내는 바와 같이 평지에 설치되어 있을 때에 상부선회체(3)를 선회로부터 정지할 때의, 선회용전동기(21)의 속도지령치와, 선회용전동기(21)의 계측 속도치(실제의 속도에 상당함)와, 선회용전동기(21)의 토크값(토크 지령치에 상당함)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 8에 있어서, 선회용전동기(21)의 속도지령치는 실선으로 나타나고, 선회용전동기(21)의 계측 속도치는 굵은 실선으로 나타나며, 선회용전동기(21)의 토크값은 일점 쇄선으로 나타나 있다. 다만, 도 8은, 선회 정지 시에 토크 지령치의 리셋을 행하지 않는 경우의 예이며, 토크 지령치의 리셋을 행한 경우의 예가 도 9에 나타나 있다.
상부선회체(3)가 선회를 개시한 후, 시각 t1에 있어서 선회용전동기(21)의 속도지령치는 일정한 값이 되어, 등속 운전이 행해진다. 선회용전동기(21)의 계측 속도치는, 속도지령치에 약간 지연되어 추종하여, 시각 t1을 지나 등속 운전이 되면 속도지령치와 동일해진다. 시각 t2에 있어서 속도지령치가 내려가기 시작하여, 시각 t3에 있어서 제로가 된다. 그러면 계측 속도치는 속도지령치에 약간 지연되어 내려가기 시작하여, 시각 t4에 있어서 제로가 된다(제로 속도 도달).
등속 선회 중의 토크값은 낮은 일정치(Ta)로 유지되고 있지만, 선회용전동기(21)를 감속시키기 위하여, 속도지령치가 내려가기 시작하는 시각 t2로부터 토크값은 내려가기 시작하여, 반대 방향의 선회의 최대 토크값까지 도달한다. 그 후 시각 t3 이후에는 감속을 약하게 하기 위하여 토크값은 최대 토크값으로부터 감소되어 가지만, 계측 속도치가 제로가 된 시각 t4에 있어서 제로가 되지는 않고, 토크값(TFT)만큼 선회와는 반대 방향인 회전의 토크가 발생하고 있다. 이 토크값(TFT)이, 상술의 적분 제어에 관한 편차의 적분치에 상당한다.
시각 t4에 있어서 토크값(TFT)이 발생하고 있음으로써, 상부선회체(3)는 역방향으로 선회를 개시한다. 시각 t4 이후에는, 토크값은 저하되어 반대 방향의 토크값이 된다. 선회용전동기(21)의 역전(逆轉)은 작아져, 다시 원래의 선회 방향으로 회전한다. 상부선회체(3)는 작게 요동하면서(반전을 반복하면서) 진폭이 감소하여, 상부선회체(3)는 정지한다.
여기에서, 본 실시형태에서는, 시각 t4에서 계측 속도가 제로가 되었을 때에 토크 지령치(토크값)를 제로로 리셋하여, 선회용전동기(21)(즉, 상부선회체(3))의 요동을 억제한다. 도 9는 시각 t4에 있어서 토크 지령치를 리셋하였을 때의 토크 지령치 및 계측 속도치의 변화를 나타내는 도이다. 도면 중의 점선은, 토크 지령치를 리셋하지 않을 때의 선회용전동기(21)의 계측 속도치를 나타내고 있다. 시각 t4에 있어서 토크 지령치가 리셋되어 제로가 되면, 반대 방향의 토크가 없어지므로, 선회용전동기(21)(상부선회체(3))를 요동시키는 토크가 없어져, 선회용전동기(21)(상부선회체(3))를 시각 t4 이후에 요동시키지 않고 즉시 정지할 수 있다.
시각 t4 이후에는 상부선회체(3)가 요동하지 않기 때문에, 선회용전동기(21)의 속도는 제로인 채 유지되고, 이로써 시각 t4에서 제로로 리셋된 토크값은, 그 후에도 THF(제로)로 유지된다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 상부선회체(3)를 수평 방향으로 선회하여 정지할 때에는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 토크 지령치의 리셋을 행함으로써, 상부선회체(3)의 반동을 없앨 수 있다.
2) 쇼벨이 경사면에 설치된 상태로, 상승 선회를 신속하게 정지할 때의 제어:
도 10은, 쇼벨이 도 6에 나타내는 바와 같이 경사지에 설치되어 있을 때에 상부선회체(3)를 상승 선회로부터 신속하게 정지시킬 때의, 선회용전동기(21)의 속도지령치와, 선회용전동기(21)의 계측 속도치(실제의 속도에 상당함)와, 선회용전동기(21)의 토크값(토크 지령치에 상당함)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 10에 있어서, 선회용전동기(21)의 속도지령치는 실선으로 나타나고, 선회용전동기(21)의 계측 속도치는 굵은 실선으로 나타나며, 선회용전동기(21)의 토크값은 일점 쇄선으로 나타나 있다. 다만, 도 10은, 선회 정지 시에 토크 지령치의 리셋을 행하지 않는 경우의 예이며, 토크 지령치의 리셋을 행하는 경우의 예가 도 11에 나타나 있다.
도 10에 나타내는 예에서는, 상승 선회를 행하기 때문에, 가속 시에는 속도지령치에 대해서 계측 속도치가 크게 지연되지만, 감속 시에는 속도지령치에 대해서 계측 속도치가 약간 지연될 뿐이다. 또, 상승 선회 시에는 중력에 거슬러 상부선회체(3)를 선회시키기 때문에, 상승 선회 시의 토크값(Tb)은, 평지에서의 선회일 때 보다는 커진다. 도 10에 나타내는 예의 경우, 상승 선회를 신속하게 정지시키기 위하여, 토크값은 도 8의 예와 마찬가지로 시각 t2와 시각 t3의 사이에서 제로가 된 후 반대 방향의 토크값이 된다. 따라서, 토크값은, 계측 속도치가 제로가 되는 시각 t4에 있어서 제로가 되지는 않고, 토크값(TUP-F)만큼 상승 선회와는 반대 방향의 회전의 토크가 발생하고 있다. 이 토크값(TUP-F)이, 상술의 적분 제어에 관한 편차의 적분치에 상당한다.
시각 t4에 있어서 토크값(TUP-F)이 발생함으로써, 상부선회체(3)는 역방향으로 선회를 개시한다. 시각 t4 이후에는, 토크값은 저하되어 반대 방향의 토크값이 된다. 선회용전동기(21)의 역전은 작아져, 다시 원래의 선회 방향으로 회전한다. 상부선회체(3)는 작게 요동하면서(반전을 반복하면서) 진폭이 감소하여, 상부선회체(3)는 정지한다.
여기에서, 본 실시형태에서는, 시각 t4에서 계측 속도가 제로가 되었을 때에 토크 지령치(토크값)를 제로로 리셋하여, 선회용전동기(21)의 요동을 억제한다(즉, 상부선회체(3)의 낙하를 억제한다). 도 11은 시각 t4에 있어서 토크 지령치를 리셋하였을 때의 토크 지령치 및 계측 속도치의 변화를 나타내는 도이다. 도면 중의 점선은, 토크 지령치를 리셋하지 않을 때의 선회용전동기(21)의 계측 속도치를 나타내고 있다. 시각 t4에 있어서 토크 지령치가 리셋되어 제로가 되면, 반대 방향의 토크가 없어진다. 이로써, 선회용전동기(21)(상부선회체(3))를 요동시키는 토크는, 상부선회체(3)의 자중에 의한 낙하 방향의 토크만이 되어, 작아진다. 이로 인하여, 선회용전동기(21)(상부선회체(3))를 시각 t4 이후에 반대 방향으로 선회시키는 토크는 감소한다. 이로써, 선회용전동기(21)(상부선회체(3))의 낙하는 작아져, 요동은 단시간에 감쇠되고(도 11에서는 반대 방향으로 1회 요동할 뿐), 상부선회체(3)를 단시간에 정지시킬 수 있다. 시각 t4 이후에는, 선회용전동기(21)는, 상부선회체(3)의 자중에 의한 낙하를 저지하도록 토크(THU)를 계속 출력한다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 상부선회체(3)가 상승 선회를 행하여 신속하게 정지할 때에는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 토크 지령치의 리셋을 행함으로써, 상부선회체(3)의 자중에 의한 낙하를 억제하면서 반동도 억제할 수 있다.
3) 쇼벨이 경사면에 설치된 상태로, 상승 선회를 천천히 정지할 때의 제어:
도 12는, 쇼벨이 도 6에 나타내는 바와 같이 경사지에 설치되어 있을 때에 상부선회체(3)를 상승 선회로부터 천천히 정지시킬 때의, 선회용전동기(21)의 속도지령치와, 선회용전동기(21)의 계측 속도치(실제의 속도에 상당함)와, 선회용전동기(21)의 토크값(토크 지령치에 상당함)과의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 12에 있어서, 선회용전동기(21)의 속도지령치는 실선으로 나타나고, 선회용전동기(21)의 계측 속도치는 굵은 실선으로 나타나며, 선회용전동기(21)의 토크값은 일점 쇄선으로 나타나 있다. 다만, 도 12는, 선회 정지 시에 토크 지령치의 리셋을 행하지 않는 경우의 예이며, 토크 지령치의 리셋을 행하는 경우의 예가 도 13에 나타나 있다.
도 12에 나타내는 예에서는, 상승 선회를 행하기 위하여, 가속 시에는 속도지령치에 대해서 계측 속도치가 크게 지연되지만, 감속 시에는 속도지령치에 대해서 계측 속도치가 약간 지연될 뿐이다. 또, 상승 선회를 천천히 정지하기 때문에, 도 10에 나타내는 예보다, 속도지령치에 대한 계측 속도치의 지연은 작다. 또, 상승 선회 시에는 중력에 거슬러 상부선회체(3)를 선회시키기 때문에, 상승 선회 시의 토크값은, 평지에서의 선회일 때 보다는 커진다. 도 12에 나타내는 예의 경우, 상승 선회를 천천히 정지시키기 때문에, 토크값은 도 8의 예와는 달리, 시각 t2와 시각 t3의 사이에서 제로가 되지는 않고, 시각 t3 및 시각 t4의 시점에서도, 상승 선회 방향의 토크(TUP -S)가 발생하고 있다. 즉, 도 12에 나타내는 예에서는, 선회의 감속은 상부선회체(3)의 중력에 의한 낙하 방향의 토크로 충분하고, 선회용전동기(21)는 상부선회체를 지지하기 위한 토크(TUP -S)를 출력하고 있는 것이 된다. 이 토크값(TUP-S)이, 상술의 적분 제어에 관한 편차의 적분치에 상당한다.
한편, 도 13에 나타내는 예에서는, 시각 t4에 있어서, 토크 지령치를 리셋하고 있다. 도면 중의 점선은, 토크 지령치를 리셋하지 않을 때의 선회용전동기(21)의 계측 속도치를 나타내고 있다. 토크 지령치를 리셋하면, 상부선회체(3)의 낙하를 저지하는 토크가 없어지므로, 토크값이 제로로부터 상부선회체(3)의 자중을 지지하기 위한 토크(THU)가 될 때까지의 사이에서 크게 낙하하게 된다. 이로 인하여, 상승 선회를 천천히 정지할 때에는, 토크 지령치를 리셋하지 않는 편이 바람직하다.
본 실시형태에서는, 시각 t4에 있어서 계측 속도치가 제로가 되어도, 토크값의 리셋은 행해지지 않아, 토크(TUP -S)가 유지된다. 이 토크(TUP -S)에 의하여, 시각 t4 이후의 상부선회체(3)의 낙하는 억제되어, 시각 t4 이후의 토크값은, 상부선회체(3)의 자중에 의한 낙하를 저지하기 위한 토크(THU)에 신속하게 도달하게 된다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 상부선회체(3)가 상승 선회를 행하여 천천히 정지할 때에는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 토크 지령치의 리셋을 행하지 않음으로써, 상부선회체(3)의 자중에 의한 낙하를 억제할 수 있다.
4) 쇼벨이 경사면에 설치된 상태로, 하강 선회를 정지할 때의 제어:
도 14는, 쇼벨이 도 7에 나타내는 바와 같이 경사지에 설치되어 있을 때에 상부선회체(3)를 하강 선회로부터 정지시킬 때의, 선회용전동기(21)의 속도지령치와, 선회용전동기(21)의 계측 속도치(실제의 속도에 상당함)와, 선회용전동기(21)의 토크값(토크 지령치에 상당함)과의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 14에 있어서, 선회용전동기(21)의 속도지령치는 실선으로 나타나고, 선회용전동기(21)의 계측 속도치는 굵은 실선으로 나타나며, 선회용전동기(21)의 토크값은 일점 쇄선으로 나타나 있다. 다만, 도 14는, 선회 정지 시에 토크 지령치의 리셋을 행하지 않는 경우의 예이며, 토크 지령치의 리셋을 행하는 경우의 예가 도 15에 나타나 있다.
도 14에 나타내는 예에서는, 하강 선회를 행하기 때문에, 가속 시에는 상부선회체(3)의 자중에 의한 토크가 가해지기 때문에, 속도지령치에 대한 계측 속도치의 지연은 작다. 또, 시각 t1 이후의 토크(Tc)는, 평지에서의 선회일 때 보다는 작아진다(Tc＜Ta). 한편, 정지를 위한 감속 시에는 상부선회체(3)의 자중에 의한 토크에도 대항해야 하기 때문에, 속도지령치에 대한 계측 속도치의 지연은 커진다. 도 14에 나타내는 예의 경우, 하강 선회를 정지시키기 위하여, 토크값은 시각 t2를 지난 후 곧바로 제로가 되고, 그 이후에는 반대 방향의 토크값은 최대 토크에 도달한다. 상부선회체(3)의 관성에 의한 토크와 중량에 의한 토크에 대항하기 위하여 반대 방향의 토크값은 커진다. 토크값은, 계측 속도치가 제로가 되는 시각 t4에 있어서 제로가 되지는 않고, 토크값(TDN)만큼 하강 선회와는 반대 방향의 회전의 토크가 발생하고 있다. 이 토크값(TDN)이, 상술의 적분 제어에 관한 편차의 적분치에 상당한다.
토크값(TDN)은, 상부선회체(3)의 자중에 의한 낙하를 저지하기 위한 토크(THU)와 동일한 방향의 토크이며, 시각 t4에 있어서 토크값(TDN)이 발생하고 있음으로써, 상부선회체(3)의 자중에 의한 토크가 없어져, 시각 t4 이후의 상부선회체(3)의 낙하는 저지된다.
한편, 도 15에 나타내는 예에서는, 시각 t4에 있어서, 토크 지령치를 리셋하고 있다. 도면 중의 점선은, 토크 지령치를 리셋하지 않을 때의 선회용전동기(21)의 계측 속도치를 나타내고 있다. 토크 지령치를 리셋하면, 상부선회체(3)의 낙하를 저지하는 토크가 없어지므로, 토크값이 제로로부터 상부선회체(3)의 자중을 지지하기 위한 토크(THD)가 될 때까지의 동안에 크게 낙하하게 된다. 이로 인하여, 하강 선회를 정지할 때에는, 토크 지령치를 리셋하지 않는 편이 바람직하다.
본 실시형태에서는, 시각 t4에 있어서 계측 속도치가 제로가 되어도, 토크값의 리셋은 행해지지 않아, 토크(TDN)가 유지된다. 이 토크(TDN)에 의하여, 시각 t4 이후의 상부선회체(3)의 낙하는 억제되어, 시각 t4 이후의 토크값은, 상부선회체(3)의 자중에 의한 낙하를 저지하기 위한 토크(THD)에 신속하게 도달하게 된다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 상부선회체(3)가 하강 선회를 행하여 정지할 때에는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 토크 지령치의 리셋을 행하지 않음으로써, 상부선회체(3)의 자중에 의한 낙하를 억제하면서 요동을 방지할 수 있다.
다음으로, 본 실시형태에 의한 전동 선회 구동 장치(40)가 행하는, 선회용전동기(21)의 토크 제어에 대하여, 도 16을 참조하면서 설명한다. 도 16은, 상부선회체(3)의 선회를 정지할 때의 선회용전동기(21)의 토크 제어 처리의 플로우차트이다.
토크 제어 처리가 개시되면, 먼저, 스텝 S1에 있어서, 상부선회체(3)의 선회 속도가 제로가 되었을 때의 선회용전동기(21)의 토크 지령치가, 가속 방향인지 아닌지가 판정된다.
스텝 S1에 있어서, 토크 지령치가 가속 방향이라고 판정되면(스텝 S1의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행된다. 토크 지령치가 가속 방향이라고 판정되는 경우는, 상술의 3) 쇼벨이 경사면에 설치된 상태로 상승 선회를 천천히 정지할 때이다. 스텝 S2에서는, 토크 지령치를 리셋하지 않고 그대로 선회용전동기(21)에 공급한다.
한편, 스텝 S1에 있어서, 토크 지령치가 가속 방향이 아니라고 판정되면(스텝 S1의 NO), 처리는 스텝 S3으로 진행된다. 토크 지령치가 가속 방향이 아니라고 판정되는 경우는, 상술의 1) 쇼벨이 평지에 설치된 상태로 선회를 정지할 때와, 2) 쇼벨이 경사면에 설치된 상태로, 상승 선회를 신속하게 정지할 때와, 4) 쇼벨이 경사면에 설치된 상태로 하강 선회를 정지할 때이다.
스텝 S3에서는, 상부선회체(3)의 선회 속도가 제로가 되었을 때의 선회용전동기(21)의 토크 지령치가, 미리 설정된 소정값(TTH) 이상인지 아닌지가 판정된다. 이 소정값(TTH)은, 선회 방향의 토크값을 정으로 하고, 선회 방향과는 반대 방향의 토크값을 부로 하였을 때의 토크값의 절대치이며, 도 14에 나타내는 토크(TDN)(부의 값)의 절대치와 도 8에 나타내는 토크(TFT)(부의 값)의 절대치와의 사이의 값으로 설정하면 된다(TDN＞TTH＞TFT).
스텝 S3에 있어서, 토크 지령치가 소정값 이상이라고 판정되면(스텝 S3의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행되어, 토크 지령치를 리셋하지 않고 그대로 선회용전동기(21)에 공급한다. 토크 지령치가 소정값 이상이라고 판정되어 스텝 S2에 진행되는 것은, 상술의 4) 쇼벨이 경사면에 설치된 상태로 하강 선회를 정지할 때이다.
한편, 스텝 S3에 있어서, 토크 지령치가 소정값 이상이 아니라고 판정되면(스텝 S3의 NO), 처리는 스텝 S4로 진행된다. 토크 지령치가 소정값 이상이 아니라고 판정되어 스텝 S4로 진행되는 것은, 상술의 1) 쇼벨이 평지에 설치된 상태로 선회를 정지할 때와, 2) 쇼벨이 경사면에 설치된 상태로, 상승 선회를 신속하게 정지할 때이다. 스텝 S4에서는, 상부선회체(3)의 선회 속도가 제로가 되었을 때(시각 t4)의 토크 지령치가 리셋되어 제로로 설정된다. 스텝 S4로 진행되는 것은, 상술의 1) 쇼벨이 평지에 설치된 상태로 선회를 정지할 때와, 2) 쇼벨이 경사면에 설치된 상태로 상승 선회를 신속하게 정지할 때이며, 이러한 경우에는 토크 지령치의 리셋이 행해진다.
이상의 토크 제어 처리에 의하면, 제로 속도 도달 시의 토크의 방향이 가속 방향인 경우는, 선회용전동기(21)의 토크 지령치의 리셋은 행해지지 않는다. 한편, 제로 속도 도달 시의 토크의 방향이 감속 방향이며, 또한 토크의 절대치가 소정값(TTH) 미만인 경우는, 선회용전동기(21)의 토크 지령치를 리셋하여 제로로 한다. 또, 제로 속도 도달 시의 토크의 방향이 감속 방향이며, 또한 토크의 절대치가 소정값(TTH) 이상인 경우는, 선회용전동기(21)의 토크 지령치의 리셋은 행해지지 않는다.
즉, 이상의 토크 제어 처리에서는, 선회 정지 시(제로 속도 도달 시)의 토크의 방향 및 크기에 근거하여, 선회용전동기(21)의 토크 지령치를 리셋할지(제로로 할지) 안할지를 판단하고, 평지에서의 반동의 억제와 경사지에서의 낙하의 억제를 양립하고 있다. 특히 평지인지 경사지인지를 예를 들면 경사 센서 등으로 판정할 필요가 없어, 간단한 처리로 효과적인 토크 제어 처리를 실현할 수 있다. 또, 상부선회체(3)의 무게중심이 선회 중심에 대해 어느 위치에 있는지를 판정할 필요가 없어, 무게중심의 위치에 관계 없이 경사지에서의 토크 제어를 실현할 수 있다.
본 명세서에서는 하이브리드 쇼벨의 실시형태에 의하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 구체적으로 개시된 상술의 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이, 다양한 변형예 및 개량예가 이루어질 것이다.
본 출원은, 2011년 9월 15일에 출원된 우선권 주장 일본 특허출원 제2011-202117호에 근거하는 것이며, 그 전체 내용은 본 출원에 원용된다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 건설기계에 설치된 선회체를 구동하는 전동선회제어장치, 및 선회용전동기의 제어방법에 적용 가능하다.
1: 하부 주행체
1A, 1B: 유압 모터
2: 선회 기구
3: 상부선회체
3a: 카운터 웨이트
4: 붐
5: 암
6: 버킷
7: 붐실린더
8: 암실린더
9: 버킷실린더
10: 캐빈
11: 엔진
12: 전동발전기
13: 변속기
14: 메인펌프
15: 파일럿펌프
16: 고압유압라인
17: 컨트롤밸브
18, 20: 인버터
19: 커패시터
21: 선회용전동기
22: 리졸버
23: 메커니컬브레이크
24: 선회변속기
25: 파일럿라인
26: 조작장치
26A, 26B: 레버
26C: 페달
27: 유압라인
28: 유압라인
29: 압력센서
30: 컨트롤러
31: 속도지령변환부
40: 전동선회제어장치
50: 구동지령생성부
51: 감산기
52: PI 제어부
53, 54: 토크제한부
58: 선회동작검출부
60: 주제어부
120: 축전장치

Claims (10)

  1. 하부 주행체에 대해서 상부선회체를 선회시키는 선회 기구를 구동하는 선회용전동기와,
    상기 선회용전동기의 구동을 제어하는 제어 장치를 가지고,
    상기 제어 장치는, 선회를 정지시키는 조작에 의해 상기 상부선회체가 감속하여 선회 속도가 제로가 되었을 때의 상기 선회용전동기의 출력의 크기 및 출력의 방향 중 적어도 하나에 근거하여, 상기 상부선회체가 감속하여 선회 속도가 제로가 된 후에도 상기 선회용전동기의 출력을 선택적으로 계속시키며,
    상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 되었을 때에, 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 방향이 상기 상부선회체가 선회하고 있던 방향과 상이하고, 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 절대치가 소정값보다 작으면, 상기 선회용전동기의 출력을 제로로 하거나 저감하는 것을 특징으로 하는 전동선회제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 되었을 때에 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 방향이, 상기 상부선회체가 선회하고 있던 방향과 동일하면, 상기 선회용전동기의 출력을 계속시키는 것을 특징으로 하는 전동선회제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 되었을 때에 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 크기가 소정값 이상일 때, 상기 선회용전동기의 출력을 계속시키는 것을 특징으로 하는 전동선회제어장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 되었을 때에 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 절대치가 소정값보다 작을 때, 상기 선회용전동기의 출력을 리셋하는 것을 특징으로 하는 전동선회제어장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 비례 적분 제어에 의하여 상기 선회용전동기의 출력을 제어하고, 또한, 상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 되었을 때에 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 절대치가 소정값보다 작을 때, 상기 비례 적분 제어에 있어서의 적분 성분을 리셋하여 제로로 설정하는 것을 특징으로 하는 전동선회제어장치.
  6. 하부 주행체에 대해서 상부선회체를 선회시키는 선회 기구를 구동하는 선회용전동기의 제어방법으로서,
    상기 선회용전동기를 일 방향으로 회전하도록 구동하여 상기 상부선회체를 상기 하부 주행체에 대해서 선회시키고,
    선회 중인 상기 선회용전동기를 정지 구동하여 상기 상부선회체를 감속시키며,
    상기 정지 구동에 의해 상기 상부선회체가 감속하여 선회 속도가 제로가 되었을 때의 상기 선회용전동기의 출력의 크기 및 출력의 방향 중 적어도 하나에 근거하여, 상기 상부선회체가 감속하여 선회 속도가 제로가 된 후에도 상기 선회용전동기의 출력을 선택적으로 계속시키며,
    상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 되었을 때에, 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 방향이 상기 상부선회체가 선회하고 있던 방향과 상이하고, 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 절대치가 소정값보다 작으면, 상기 선회용전동기의 출력을 제로로 하거나 저감하는 것을 특징으로 하는 선회용전동기의 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 되었을 때에 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 방향이, 상기 상부선회체가 선회하고 있던 방향과 동일하면, 상기 선회용전동기의 출력을 계속시키는 것을 특징으로 하는 선회용전동기의 제어방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 되었을 때에 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 크기가 소정값 이상일 때, 상기 선회용전동기의 출력을 계속시키는 것을 특징으로 하는 선회용전동기의 제어방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 되었을 때에 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 절대치가 소정값보다 작을 때, 상기 선회용전동기의 출력을 리셋하는 것을 특징으로 하는 선회용전동기의 제어방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    비례 적분 제어에 의하여 상기 선회용전동기의 출력을 제어하고, 또한, 상기 상부선회체의 선회 속도가 제로가 되었을 때에 상기 선회용전동기가 출력하는 토크의 절대치가 소정값보다 작을 때, 상기 비례 적분 제어에 있어서의 적분 성분을 리셋하여 제로로 설정하는 것을 특징으로 하는 선회용전동기의 제어방법.
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