KR101953418B1

KR101953418B1 - 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치

Info

Publication number: KR101953418B1
Application number: KR1020147009649A
Authority: KR
Inventors: 기와무 다카하시; 신고 기시모토; 요시후미 다케바야시; 가즈시게 모리; 나츠키 나카무라
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 겡키 티에라
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2019-02-28
Also published as: US10280592B2; CN103890409A; JPWO2013058326A1; US20140227104A1; WO2013058326A1; US20170089038A1; EP2775150A1; EP2775150A4; JP5914510B2; KR20140079401A; EP2775150B1

Abstract

본 발명은 전동기에 의해 유압 펌프를 구동하여 액추에이터를 구동함과 함께, 전동기의 회전수 제어에 의해 로드 센싱 제어를 행하는 전동식 유압 작업 기계에 있어서, 유압 펌프의 소비 마력을 억제함으로써 전동기의 전력원인 축전 장치를 오래 가게 하여, 전동식 유압 작업 기계의 가동 시간을 연장하고, 또한 전동기를 소형화한다. 본 발명은 컨트롤러(50)를 사용하여 전동기(1)의 회전수 제어에 의해 메인 펌프(2)의 로드 센싱 제어를 행함과 함께, 메인 펌프(2)를 가변 용량형으로 하고, 토출압이 상승하였을 때에 토출 유량을 감소시키는 토크 제어 장치(17)를 메인 펌프(2)에 설치하거나, 컨트롤러(50)에 토크 제어 장치(17)와 동일한 작용을 하는 제어 알고리즘을 설정한다.

Description

전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치 {HYDRAULIC DRIVE DEVICE OF POWER-OPERATED HYDRAULIC OPERATION MACHINE}

본 발명은 전동기에 의해 유압 펌프를 구동하여 액추에이터를 구동하고, 각종 작업을 행하는 유압 셔블 등의 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치에 관계되고, 특히, 유압 펌프의 토출압이 최고 부하압보다 일정한 압력만큼 높아지도록, 유압 펌프의 토출 유량을 제어하는, 소위 로드 센싱식의 유압 구동 장치에 관한 것이다.

전동기에 의해 유압 펌프를 구동하여 액추에이터를 구동하고, 각종 작업을 행하는 유압 셔블 등의 전동식 유압 작업 기계가 특허문헌 1에 기재되어 있다. 이 특허문헌 1의 전동식 유압 작업 기계는, 전동기에 의해 구동되는 고정 용량식의 유압 펌프를 구비하고, 이 유압 펌프의 토출압과 복수의 유압 액추에이터의 최대 부하압과의 차압이 일정해지도록 전동기의 회전수를 제어함으로써 로드 센싱 제어를 행하는 구성으로 되어 있다.

일본 특허 공개 제2008-256037호 공보

특허문헌 1에 기재된 유압 구동 장치에 있어서는, 복잡한 유량 제어를 행하는 가변 용량 펌프를 사용하지 않고, 전동기의 회전수 제어에 의해 로드 센싱 제어를 행할 수 있으므로, 소형의 유압 셔블 등에 용이하게 로드 센싱 시스템을 탑재할 수 있다.

그러나, 특허문헌 1에 기재된 유압 구동 장치에서는, 유압 펌프가 고정 용량식의 유압 펌프이기 때문에, 유압 펌프의 토출압이 최대로 될 때, 유압 펌프의 용량은 최대로 일정한 상태이다. 이로 인해 로드 센싱 제어에 의해 전동기의 회전수가 최대로 제어되었을 때, 유압 펌프의 토출 유량은 최대가 되고, 유압 펌프의 소비 마력은 최대 토출압과 최대 토출 유량의 곱으로 나타내어지는 값까지 증가한다. 그 결과, 전동기의 출력 마력이 커지고, 소비 전력이 증가한다. 또한, 이때는, 전동기 냉각용의 소비 전력도 증대하기 때문에, 전동기의 전력원인 배터리(축전 장치)의 방전량이 증대하고, 배터리의 감소가 빨라, 작업 기계의 가동 시간이 짧아져 버린다고 하는 문제가 있다.

또한, 전동기는 유압 펌프의 최대의 소비 마력을 고려하여 출력을 정할 필요가 있으므로, 큰 출력의 전동기가 필요해진다고 하는 문제도 있다.

본 발명의 목적은, 전동기에 의해 유압 펌프를 구동하여 액추에이터를 구동함과 함께, 전동기의 회전수 제어에 의해 로드 센싱 제어를 행하는 전동식 유압 작업 기계에 있어서, 유압 펌프의 소비 마력을 억제함으로써 전동기의 전력원인 축전 장치를 오래 가게 하여, 전동식 유압 작업 기계의 가동 시간을 연장할 수 있고, 또한 전동기를 소형화할 수 있는 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치를 제공하는 것이다.

(1) 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 전동기와, 이 전동기에 의해 구동되는 유압 펌프와, 이 유압 펌프로부터 토출된 압유에 의해 구동되는 복수의 액추에이터와, 상기 유압 펌프로부터 복수의 액추에이터로 공급되는 압유의 유량을 제어하는 복수의 유량 제어 밸브와, 상기 전동기에 전력을 부여하는 축전 장치를 구비한 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치에 있어서, 상기 유압 펌프의 토출압이 상기 복수의 액추에이터의 최고 부하압보다 목표 차압만큼 높아지도록 상기 유압 펌프의 회전수를 제어하는 로드 센싱 제어를 행하는 전동기 회전수 제어 장치와, 상기 유압 펌프의 토출압이 상승하였을 때에 상기 유압 펌프의 토출 유량을 감소시킴으로써, 상기 유압 펌프의 흡수 토크가 미리 설정한 최대 토크를 초과하지 않도록 제어하는 토크 제어 장치를 구비하는 것으로 한다.

이와 같이 로드 센싱 제어를 행하는 전동기의 회전수 제어 장치 외에, 유압 펌프의 토출압이 상승하였을 때에 유압 펌프의 토출 유량을 감소시킴으로써, 유압 펌프의 흡수 토크가 미리 설정한 최대 토크를 초과하지 않도록 제어하는 토크 제어 장치를 설치함으로써, 유압 펌프의 소비 마력이 억제되어, 전동기의 소비 전력이 줄기 때문에, 전동기의 전력원인 축전 장치를 오래 가게 할 수 있다. 또한, 그 결과, 전동식 유압 작업 기계의 가동 시간을 연장할 수 있다. 또한, 전동기의 소비 전력이 줄기 때문에, 전동기를 소형화할 수 있다.

(2) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는 상기 전동기 회전수 제어 장치는, 상기 유압 펌프의 토출압을 검출하는 제1 압력 센서와, 상기 최대 부하압을 검출하는 제2 압력 센서와, 상기 전동기의 회전수를 제어하는 인버터와, 컨트롤러를 구비하고, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 및 제2 압력 센서가 검출한 상기 유압 펌프의 토출압 및 상기 최고 부하압과 목표 LS 차압에 기초하여, 상기 유압 펌프의 토출압과 상기 최고 부하압과의 차압과 상기 목표 LS 차압과의 차압 편차의 정부에 따라 증감하는 상기 유압 펌프의 가상 용량을 연산하는 로드 센싱 제어 연산부를 갖고, 상기 가상 용량에 기준 회전수를 곱하여 상기 유압 펌프의 목표 유량을 연산하고, 상기 유압 펌프의 토출 유량이 상기 목표 유량으로 되도록 상기 전동기의 회전수를 제어하기 위한 제어 지령을 상기 인버터에 출력한다.

이와 같이 로드 센싱 제어 연산부에 유압 펌프의 가상 용량이라 하는 개념을 도입하여 로드 센싱 제어의 목표 유량을 구하고, 전동기의 회전수 제어에 의한 로드 센싱 제어를 행함으로써, 전동기의 회전수 제어에 의한 로드 센싱 제어의 성능의 향상이 용이하게 된다[하기 (4) 및 (5) 참조].

(3) 또한, 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 바람직하게는 상기 유압 펌프는 가변 용량형의 유압 펌프이고, 상기 토크 제어 장치는, 상기 유압 펌프에 내장된 레귤레이터이다.

이에 의해 로드 센싱 제어를 유압 펌프의 레귤레이터에 의해 행하는 경우에 비해, 유압 펌프를 소형화할 수 있다.

(4) 또한, 상기 (2)에 있어서, 바람직하게는 상기 유압 펌프는 고정 용량형의 유압 펌프이고, 상기 토크 제어 장치는, 상기 컨트롤러에 내장된 상기 컨트롤러의 일 기능으로서 구성되고, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 압력 센서가 검출한 상기 유압 펌프의 토출압에 기초하여, 상기 유압 펌프의 토출압이 높아지는 것에 따라서 감소하는 가상 용량의 제한값을 연산하고, 상기 로드 센싱 제어 연산부에서 연산한 상기 가상 용량과 상기 가상 용량의 제한값 중 작은 쪽을 선택하여 새로운 가상 용량을 구하는 토크 제한 제어 연산부를 더 갖고, 상기 새로운 가상 용량에 상기 기준 회전수를 곱하여 상기 유압 펌프의 목표 유량을 연산한다.

이에 의해 유압 펌프가 고정 용량형이므로, 유압 펌프의 크기를 작게 억제할 수 있어, 공간 절약을 실현할 수 있다.

(5) 상기 (2) 또는 (4)에 있어서, 바람직하게는 상기 기준 회전수를 지시하는 조작 장치를 더 구비하고, 상기 컨트롤러는, 상기 조작 장치의 지시 신호에 기초하여 상기 기준 회전수를 설정하고, 또한 이 기준 회전수에 기초하여 상기 기준 회전수의 크기에 따른 상기 목표 LS 차압과 상기 목표 유량을 연산한다.

이에 의해 오퍼레이터가 조작 장치를 조작하여 기준 회전수를 작게 함으로써, 목표 LS 차압과 목표 유량이 작아지므로, 전동기의 회전수 변화와 회전수가 작아져, 양호한 미세 조작성을 얻을 수 있다.

전동기에 의해 유압 펌프를 구동하여 액추에이터를 구동함과 함께, 전동기의 회전수 제어에 의해 로드 센싱 제어를 행하는 전동식 유압 작업 기계에 있어서, 유압 펌프의 토출압이 상승하였을 때에 유압 펌프의 토출 유량을 감소시킴으로써, 유압 펌프의 흡수 토크가 미리 설정한 최대 토크를 초과하지 않도록 제어되므로, 유압 펌프의 소비 마력이 억제되어, 전동기의 소비 전력이 줄고, 전동기의 전력원인 축전 장치를 오래 가게 할 수 있다. 또한, 그 결과, 전동식 유압 작업 기계의 가동 시간을 연장할 수 있다. 또한, 전동기의 소비 전력이 줄기 때문에, 전동기를 소형화할 수 있다. 또한, 전동기를 소형화할 수 있기 때문에, 전동기 냉각계에 대해서도 소형화하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 컨트롤러(50)의 처리 내용을 도시하는 기능 블록도이다.
도 3은 토크 제어 장치의 펌프 토크 특성(Pq 특성:펌프 토출압-펌프 용량 특성)을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 실시 형태에 있어서의 유압 구동 장치가 탑재되는 유압 셔블의 외관을 도시하는 도면이다.
도 5a는 종래의 전동기 회전수 제어에 의해 로드 센싱 제어를 행하는 유압 구동 장치의 마력 특성을 나타내는 도면이다.
도 5b는 본 실시 형태의 유압 구동 장치의 마력 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 컨트롤러의 처리 내용을 도시하는 기능 블록도이다.
도 8은 메인 펌프의 토크 특성과 연산부에 설정되는 토크 제어를 모의하는 특성(토크 제어 특성)을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 설명한다.

제1 실시예

∼구성∼

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태는, 본 발명을 프론트 스윙식의 유압 셔블의 유압 구동 장치에 적용한 경우의 것이다.

도 1에 있어서, 본 실시 형태에 관한 유압 구동 장치는, 전동기(1)와, 이 전동기(1)에 의해 구동되는 메인 펌프로서의 가변 용량형의 유압 펌프(이하, 메인 펌프라고 함)(2) 및 고정 용량형의 파일럿 펌프(30)와, 메인 펌프(2)로부터 토출된 압유에 의해 구동되는 복수의 액추에이터(3a, 3b, 3c…)와, 메인 펌프(2)와 복수의 액추에이터(3a, 3b, 3c…) 사이에 위치하는 컨트롤 밸브(4)와, 파일럿 펌프(30)에 파일럿 유로(31)를 통해 접속되고, 파일럿 펌프(30)의 토출유에 기초하여 파일럿 1차압을 생성하는 파일럿 유압원(38)과, 파일럿 유압원(38)의 하류측에 위치하고, 게이트 로크 레버(24)에 의해 조작되는 안전 밸브로서의 게이트 로크 밸브(100)를 구비하고 있다.

컨트롤 밸브(4)는 메인 펌프(2)의 토출유가 공급되는 제1 압유 공급 유로(2a)(배관)에 접속된 제2 압유 공급 유로(4a)(내부 통로)와, 제2 압유 공급 유로(4a)로부터 분기되는 유로(8a, 8b, 8c…)에 접속되고, 메인 펌프(2)로부터 액추에이터(3a, 3b, 3c…)에 공급되는 압유의 유량과 방향을 각각 제어하는 클로즈드 센터형의 복수의 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)와, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)의 미터인 스로틀부와 방향 전환부를 접속하는 유로(25a, 25b, 25c…)에 접속되고, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)의 미터인 스로틀부의 하류 압력이 최고 부하압(후술)과 동등해지도록 제어하는 압력 보상 밸브(7a, 7b, 7c…)와, 액추에이터(3a, 3b, 3c…)의 부하압 중 최고 압력(최고 부하압)을 선택하여 신호 유로(27)에 출력하는 셔틀 밸브(9a, 9b, 9c…)와, 제2 압유 공급 유로(4a)에 접속되고, 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력[메인 펌프(2)의 토출압]이 설정 압력 이상으로 되지 않도록 제한하는 메인 릴리프 밸브(14)와, 메인 펌프(2)의 토출유가 유도되는 유로인 제2 압유 공급 유로(4a)에 접속되고, 메인 펌프(2)의 토출압이 최고 부하압에 크래킹압[스프링(15a)의 세트압]을 가산한 압력보다도 높아지면 개방 상태로 되어 메인 펌프(2)의 토출유를 탱크(T)에 복귀시키고, 메인 펌프(2)의 토출압의 상승을 제한하는 언로드 밸브(15)를 갖고 있다.

유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)는 각각 부하 포트(26a, 26b, 26c…)를 갖고, 이들 부하 포트(26a, 26b, 26c…)는, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)가 중립 위치에 있을 때는 탱크(T)에 연통하여, 부하압으로서 탱크압을 출력하고, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)가 중립 위치로부터 도시 좌우의 조작 위치로 전환되었을 때는, 각각의 액추에이터(3a, 3b, 3c…)에 연통하여, 액추에이터(3a, 3b, 3c…)의 부하압을 출력한다.

셔틀 밸브(9a, 9b, 9c…)는 부하 포트(26a, 26b, 26c…)에 대해 토너먼트 형식으로 접속되고, 부하 포트(26a, 26b, 26c…) 및 신호 유로(27)와 함께 최고 부하압 검출 회로를 구성한다. 즉, 셔틀 밸브(9a)는 유량 제어 밸브(6a)의 부하 포트(26a)의 압력과 유량 제어 밸브(6b)의 부하 포트(26b)의 압력 중 고압측을 선택하여 출력하고, 셔틀 밸브(9b)는 셔틀 밸브(9b)의 출력압과 유량 제어 밸브(6c)의 부하 포트(26c)의 압력 중 고압측을 선택하여 출력하고, 셔틀 밸브(9c)는 셔틀 밸브(9b)의 출력압과 도시하지 않은 다른 동일한 셔틀 밸브의 출력압 중 고압측을 선택하여 출력한다. 셔틀 밸브(9c)는 최후단의 셔틀 밸브이며, 그 출력압은 최고 부하압으로서 신호 유로(27)에 출력되고, 신호 유로(27)에 출력된 최고 부하압은 신호 유로(27a, 27b, 27c…)를 통해 압력 보상 밸브(7a, 7b, 7c…)와 언로드 밸브(15)에 유도된다.

압력 보상 밸브(7a, 7b, 7c…)는, 셔틀 밸브(9c)로부터 신호 유로(27, 27a, 27b, 27c…)를 통해 최고 부하압이 유도되는 폐쇄 방향 작동의 수압부(21a, 21b, 21c…)와, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)의 미터인 스로틀부의 하류 압력이 유도되는 개방 방향 작동의 수압부(22a, 22b, 22c…)를 갖고, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)의 미터인 스로틀부의 하류 압력이 최고 부하압과 동등해지도록 제어한다. 그 결과, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)의 미터인 스로틀부의 전후 차압은 메인 펌프(2)의 토출압과 최고 부하압의 차압과 동등해지도록 제어된다.

언로드 밸브(15)는 언로드 밸브(15)의 크래킹압 Pun0을 설정하는 폐쇄 방향 작동의 스프링(15a)과, 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력[메인 펌프(2)의 토출압]이 유도되는 개방 방향 작동의 수압부(15b)와, 최고 부하압이 신호 유로(27)를 통해 유도되는 폐쇄 방향 작동의 수압부(15c)를 갖고, 압유 공급 유로(4a)의 압력이 최고 부하압에 스프링(15a)의 세트압 Pun0(크래킹압)보다도 높아지면, 개방 상태가 되어 압유 공급 유로(4a)의 압유를 탱크(T)에 복귀시키고, 압유 공급 유로(4a)의 압력[메인 펌프(2)의 토출압]을 최고 부하압에 스프링(15a)의 세트압과 언로드 밸브(15)의 오버 라이드 특성에 의해 발생하는 압력을 가산한 압력으로 제어한다. 언로드 밸브의 오버 라이드 특성이라 함은, 언로드 밸브를 경유하여 탱크에 복귀되는 압유의 유량이 증가하는 것에 따라서 언로드 밸브의 입구 압력, 즉 압유 공급 유로(4a)의 압력이 상승하는 특성이다. 본 명세서 중에서는, 최고 부하압에 스프링(15a)의 세트압과 언로드 밸브(15)의 오버 라이드 특성에 의해 발생하는 압력을 가산한 압력을 언로드 압력이라고 한다.

액추에이터(3a, 3b, 3c)는, 예를 들어 유압 셔블의 붐 실린더, 아암 실린더, 선회 모터이며, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c)는 각각, 예를 들어 붐용, 아암용, 선회용의 유량 제어 밸브이다. 도시의 사정상, 버킷 실린더, 스윙 실린더, 주행 모터 등의 그 외의 액추에이터 및 이들 액추에이터에 관한 유량 제어 밸브의 도시는 생략하고 있다.

파일럿 유압원(38)은 파일럿 유로(31)에 접속되고, 파일럿 유로(31)의 압력을 일정하게 유지하는 파일럿 릴리프 밸브(32)를 갖고 있다. 게이트 로크 밸브(100)는 게이트 로크 레버(24)를 조작함으로써 파일럿 유로(31a)를 파일럿 유로(31)에 접속하는 위치와, 파일럿 유로(31a)를 탱크(T)에 접속하는 위치로 전환 가능하다.

파일럿 유로(31a)에는, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)를 조작하여 대응하는 액추에이터(3a, 3b, 3c…)를 동작시키기 위한 지령 파일럿압(지령 신호)을 생성하는 조작 레버 장치(122, 123, 124)(도 4 참조)가 접속되어 있다. 이 조작 레버 장치(122, 123, 124)는, 게이트 로크 레버(24)가 파일럿 유로(31a)를 파일럿 유로(31)에 접속하는 위치로 전환되어 있을 때, 각각의 조작 레버의 조작량에 따라 파일럿 유압원(38)의 유압을 1차압으로 하여 지령 파일럿압(지령 신호)을 생성한다. 한편, 게이트 로크 밸브(100)가 파일럿 유로(31a)를 탱크(T)에 접속하는 위치로 전환되면, 조작 레버 장치(122, 123, 124)는, 조작 레버를 조작해도 지령 파일럿압을 생성 불가능한 상태로 된다.

본 실시 형태의 유압 구동 장치는, 상술한 구성 외에, 전동기(1)의 전원으로 되는 배터리(70)(축전 장치)와, 배터리(70)의 직류 전력을 승압하는 초퍼(61)와, 초퍼(61)에 의해 승압된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기(1)에 공급하는 인버터(60)와, 오퍼레이터에 의해 조작되고, 전동기(1)의 기준 회전수를 지시하는 기준 회전수 지시 다이얼(51)(조작 장치)과, 컨트롤 밸브(4)의 압유 공급 유로(4a)에 접속되고, 메인 펌프(2)의 토출압을 검출하는 압력 센서(40)와, 신호 유로(27)에 접속되고, 최고 부하 압력을 검출하는 압력 센서(41)와, 기준 회전수 지시 다이얼(51)의 지시 신호와 압력 센서(40, 41)의 검출 신호를 입력하고, 인버터(60)를 제어하는 컨트롤러(50)를 구비하고 있다.

초퍼(61)와, 인버터(60)와, 기준 회전수 지시 다이얼(51)(조작 장치)과, 압력 센서(40, 41)와, 컨트롤러(50)는 메인 펌프(2)의 토출압이 복수의 액추에이터(3a, 3b, 3c…)의 최고 부하압보다 목표 차압만큼 높아지도록 전동기(1) 및 메인 펌프(2)의 회전수를 제어하는 로드 센싱 제어를 행하는 전동기 회전수 제어 장치를 구성한다.

도 2는 컨트롤러(50)의 처리 내용을 도시하는 기능 블록도이다.

컨트롤러(50)는 연산부(50a∼50m)의 각 기능을 갖고 있다.

연산부(50a, 50b)는, 각각, 압력 센서(40, 41)의 검출 신호 Vps, VPLmax를 입력하고, 이들 값을 각각 메인 펌프(2)의 토출압 Pps 및 최고 부하압 PPLmax로 변환한다. 이어서, 연산부(50c)는 그 압력 Pps와 압력 PPLmax의 차를 취하고, 실로드 센싱 차압 PLS(＝Pps-PPLmax)를 산출한다. 계속해서, 연산부(50d)는 기준 회전수 지시 다이얼(51)의 지시 신호 Vec를 기준 회전수 N0으로 변환하고, 연산부(50e)는 기준 회전수 N0을 목표 LS 차압 PGR로 변환한다.

연산부(50f)는 목표 LS 차압 PGR과 실로드 센싱 차압 PLS의 차압 편차 ΔP를 산출한다. 연산부(50g)는 차압 편차 ΔP로부터 메인 펌프(2)의 가상 용량 q*의 증감값 Δq를 산출한다. 연산부(50g)는 ΔP가 높아질수록, 가상 용량 변화량 Δq도 커지도록 구성되어 있다. 또한, 증감값 Δq는, ΔP가 정인 경우에 정의 값으로, ΔP가 부인 경우에 부의 값으로 되도록 연산된다. 연산부(50h)는 증감값 Δq를 1연산 사이클 전의 가상 용량 q*에 더함으로써, 금회의 가상 용량 q*을 산출한다.

여기서, 메인 펌프(2)의 가상 용량 q*이라 함은, 전동기(1)의 회전수 제어에 의해 실로드 센싱 차압 PLS를 목표 LS 차압 PGR에 일치시키도록 제어하기 위한 메인 펌프(2)의 용량의 연산값이다.

연산부(50i)는 얻어진 가상 용량 q*이 메인 펌프(2)의 최소 용량 qmin과 최대 용량 qmax의 범위 내에 들어가도록(최소 용량 qmin 이하로 되지 않고, 또한 최대 용량 qmax 이상으로 되지 않도록) 제한을 가하는 처리를 행한다.

연산부(50j)는 얻어진 가상 용량 q*에 기준 회전수 N0을 곱하여, 메인 펌프(2)의 목표 유량 Qd를 산출한다. 연산부(50k)는 목표 유량 Qd를 메인 펌프(2)의 최대 용량 qmax로 나누어, 메인 펌프(2)의 목표 회전수 Nd를 산출한다. 연산부(50m)는 목표 회전수 Nd를 인버터(60)의 제어 지령인 지령 신호(전압 지령) Vinv로 환산하고, 이 지령 신호 Vinv를 인버터(60)에 출력한다.

연산부(50a∼50c, 50f∼50h)는 압력 센서(41, 42)가 검출한 메인 펌프(2)의 토출압 Pps 및 최고 부하압 PPLmax와 목표 LS 차압 PGR에 기초하여, 메인 펌프(2)의 토출압과 최고 부하압의 차압 PLS와 목표 LS 차압 PGR의 차압 편차 ΔP의 정부에 따라 증감하는 메인 펌프(2)의 가상 용량 q*을 연산하는 로드 센싱 제어 연산부를 구성한다.

또한, 본 실시 형태의 유압 구동 장치는, 메인 펌프(2)의 토출압이 높아지는 것에 따라서 메인 펌프(2)의 용량을 줄이고, 메인 펌프(2)의 흡수 토크가 미리 설정한 최대 토크를 초과하지 않도록 제어하는 토크 제어 장치(17)를 구비하고 있다. 토크 제어 장치(17)는 메인 펌프(2)와 일체로 구성된 레귤레이터이며, 메인 펌프(2)의 토출압이 유로(17c)를 통해 유도되는 토크 제어 틸팅 피스톤(17a)과 스프링(17b1, 17b2)을 갖고 있다.

도 3은 토크 제어 장치(17)의 펌프 토크 특성(Pq 특성:펌프 토출압-펌프 용량 특성)을 나타내는 도면이다. 횡축은 메인 펌프(2)의 토출압을 나타내고, 종축은 메인 펌프(2)의 용량을 나타내고 있다. 또한, TP0은 메인 펌프(2)의 최대 용량의 특성선, TP1 및 TP2는 스프링(17b1, 17b2)에 의해 설정되는 토크 제어의 특성선이며, P0은 스프링(17b1, 17b2)에 의해 결정되는 소정의 압력(흡수 토크 일정 제어의 개시 압력)이다.

토크 제어 장치(17)의 토크 제어 틸팅 피스톤(17a)은 메인 펌프(2)의 토출압이 소정의 압력 P0 이하에 있을 때는 동작하지 않고, 메인 펌프(2)의 용량은 특성선 TP0상의 최대 용량 qmax에 있다. 메인 펌프(2)의 토출압이 상승하고, 소정의 압력 P0을 초과하면, 토크 제어 장치(17)의 토크 제어 틸팅 피스톤(17a)이 동작하고, 소정의 압력 P0으로부터 메인 펌프(2)의 최대 토출압 Pmax[메인 릴리프 밸브(14)의 설정 압력]까지, 메인 펌프(2)의 용량은 특성선 TP1, TP2를 따라 감소한다. 그 결과, 메인 펌프(2)의 흡수 토크(펌프 토출압과 용량의 곱)는 특성선 TP1, TP2에 접하는 최대 토크(제한 토크) TM을 초과하지 않도록, 대략 일정한 값으로 제어된다. 이 제어를 본 명세서 중에서는 토크 제한 제어라고 부르고, 유압 펌프의 용량을 토출 유량으로 치환한 특성에서 보았을 때의 제어를 마력 제어라고 부른다. 최대 토크 TM의 크기는, 스프링(17b1, 17b2)의 강도를 선정함으로써 미리 자유롭게 설정할 수 있다.

도 4는 본 실시 형태에 있어서의 유압 구동 장치가 탑재되는 유압 셔블의 외관을 도시하는 도면이다.

도 4에 있어서, 작업 기계로서 잘 알려져 있는 유압 셔블은, 상부 선회체(300)와, 하부 주행체(301)와, 스윙식의 프론트 작업기(302)를 구비하고, 프론트 작업기(302)는 붐(306), 아암(307), 버킷(308)으로 구성되어 있다. 상부 선회체(300)는 하부 주행체(301)를 도 1에 도시하는 선회 모터(3c)의 회전에 의해 선회 가능하다. 상부 선회체(300)의 전방부에는 스윙 포스트(303)가 설치되고, 이 스윙 포스트(303)에 프론트 작업기(302)가 상하 이동 가능하게 설치되어 있다. 스윙 포스트(303)는 도시하지 않은 스윙 실린더의 신축에 의해 상부 선회체(300)에 대해 수평 방향으로 회전 가능하고, 프론트 작업기(302)의 붐(306), 아암(307), 버킷(308)은 붐 실린더(3a), 아암 실린더(3b), 버킷 실린더(12)의 신축에 의해 상하 방향으로 회전 가능하다. 하부 주행체(301)는 중앙 프레임에는, 블레이드 실린더(304)의 신축에 의해 상하 동작을 행하는 블레이드(305)가 설치되어 있다. 하부 주행체(301)는 주행 모터(6, 8)의 회전에 의해 좌우의 크롤러(310, 311)를 구동함으로써 주행을 행한다. 도 1에서는 붐 실린더(3a), 아암 실린더(3b), 선회 모터(3c)만을 도시하고, 버킷 실린더(3d), 좌우의 주행 모터(3f, 3g), 블레이드 실린더(3h)나 그들의 회로 요소를 생략하고 있다.

상부 선회체(300)에는 캐빈(운전실)(313)이 설치되고, 캐빈(313) 내에는, 운전석(121), 프론트/선회용의 조작 레버 장치(122, 123)(도 4에서는 우측만 도시), 주행용의 조작 레버 장치(124), 게이트 로크 레버(24)가 설치되어 있다.

∼동작∼

다음으로 본 실시 형태의 동작을 설명한다.

＜조작 레버 중립 시＞

조작 레버 장치(122, 123, 124)의 조작 레버를 포함하는 모든 조작 장치가 중립에 있을 때는, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)도 모두 중립 위치에 있다. 이 때문에 액추에이터(3a, 3b, 3c…)의 부하 포트(26a, 26b, 26c…)는, 각각 탱크에 접속되고, 셔틀 밸브(9a, 9b, 9c…)에 의해 검출되는 액추에이터(3a, 3b, 3c…)의 최고 부하압도 탱크압과 동등해진다. 압력 센서(41)는 이 탱크압을 검출한다.

한편, 전동기(1)에 의해 메인 펌프(2)가 구동되고, 압유 공급 유로(2a, 4a)에 압유가 공급된다. 압유 공급 유로(4a)에는, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)와, 메인 릴리프 밸브(14)와, 언로드 밸브(15)가 접속되어 있다. 모든 조작 레버가 중립일 때, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)가 폐쇄되어 있기 때문에, 메인 펌프(2)의 토출압은 언로드 밸브(15)의 스프링(15c)의 세트압에 오버 라이드 특성의 압력을 가산한 압력까지 상승한다.

여기서, 언로드 밸브(15)의 세트압은 스프링(15a)에 의해 일정하게 설정되어 있고, 그 세트압은, 기준 회전수 N0이 최대일 때에 연산부(50e)에서 산출되는 목표 LS 차압 PGR보다도 높게 설정되어 있다. 예를 들어, 목표 LS 차압 PGR이 2㎫이라고 하면, 스프링(15a)의 세트압은 2.5㎫ 정도이며, 메인 펌프(2)의 토출압(언로드 압력)은 대략 2.5㎫로 된다. 압유 공급 유로(4a)에 접속된 압력 센서(40)는 그 메인 펌프(2)의 토출압을 검출한다. 이 메인 펌프(2)의 토출압을 Pmin으로 나타낸다.

전술한 바와 같이, 압력 센서(40)의 검출 신호는 Vps, 압력 센서(41)의 검출 신호는 VPLmax이다. 컨트롤러(50)는 검출 신호 Vps, VPLmax와 기준 회전수 지시 다이얼(51)의 지시 신호 Vec에 기초하여 메인 펌프(2)의 가상 용량 q*을 산출하고, 이 가상 용량 q*에 기준 회전수 N0을 곱하여 목표 유량 Qd를 산출한다. 또한, 이 목표 유량 Qd를 메인 펌프(2)의 최대 용량 qmax로 나누어, 메인 펌프(2)의 목표 회전수 Nd를 산출하고, 이 목표 회전수 Nd를 인버터(60)의 지령 신호 Vinv로 환산하고, 이 지령 신호 Vinv를 인버터(60)에 출력한다.

여기서, 전술한 바와 같이, 모든 조작 레버의 중립 시에는 최고 부하압은 탱크압과 동등하고, 메인 펌프(2)의 토출압은, 목표 LS 차압 PGR보다 커지고 있다. 이로 인해, PLS＝Pps-PPLmax＝Pps＞PGR이므로, 컨트롤러(50) 내에서 연산되는 차압 편차 ΔP(＝PGR-PLS)는 부의 값으로 되고, 메인 펌프(2)의 가상 용량 q*이 감소한다. 이 가상 용량 q*에 대해 연산부(50i)에 최소 용량 qmin과 최대 용량 qmax가 설정되어 있고, 가상 용량 q*은 최소 용량 qmin까지 작아져, 그 최소 용량 qmin으로 유지된다. 이로 인해, 목표 유량 Qd가 감소하여 최소의 값으로 되고, 또한 메인 펌프(2)의 목표 회전수 Nd 및 인버터(60)의 지령 신호 Vinv가 각각 감소하여 최소의 값으로 된다. 그 결과, 전동기(1)의 회전수는 최소값으로 유지된다.

한편, 이때의 메인 펌프(2)의 토출압은 전술한 바와 같이 Pmin이며, Pmin＜P0이기 때문에 토크 제어 장치(17)의 토크 제어 틸팅 피스톤(17a)은 동작하지 않고, 메인 펌프(2)의 용량은 최대 qmax에 있다. 도 3 중, 이때의 상태를 A점으로 나타내고 있다.

이와 같이 메인 펌프(2)의 용량은 최대 용량 qmax로 유지되지만, 전동기(1)의 회전수 제어에 의한 로드 센싱 제어에 의해, 전동기(1)의 회전수가 최소값으로 유지되므로, 메인 펌프(2)에 의해 토출되는 유량도 최소로 유지된다.

여기서, 전동기(1)의 최소 회전수를 Nmin으로 하면,

Qd＝qmin×N0＝qmax×Nmin

Nmin＝N0×(qmin/qmax)

이다.

즉, 이때의 메인 펌프(2)의 실용량을 q라고 하고, 전동기(1)의 제어 후의 회전수를 N(이하, 간단히 회전수 N이라 함)이라고 하면, 이 실용량 q와 가상 용량 q*과 회전수 N은 다음과 같이 된다.

q＝qmax

q*＝qmin

N＝Nmin＝N0×(qmin/qmax)

＜붐 상승 단독 조작(경부하)＞

조작 레버 장치(122, 123) 중 붐에 대응하는 조작 레버 장치의 조작 레버를 붐 상승 방향으로 조작하여 붐 상승 조작을 행한 경우, 파일럿압 공급로(31)로부터 공급되는 파일럿압을 원압으로 하여, 붐용의 조작 레버 장치의 붐 상승 조작용의 리모콘 밸브(도시하지 않음)로부터, 유량 제어 밸브(6a)의 단부면 수압부에 파일럿압이 작용하고, 유량 제어 밸브(6a)가 도면 중에서 좌측으로 전환된다. 메인 펌프(2)로부터의 압유 공급로(5)의 압유는, 압력 보상 밸브(7a)를 통해 유량 제어 밸브(6a)를 통하고, 붐 실린더(3a)의 보텀측에 공급된다.

이때, 붐 실린더(3a)의 부하압은, 유량 제어 밸브(6a)의 부하 포트(26a) 및 셔틀 밸브(9a, 9b, 9c)를 경유하여, 신호 유로(27)로부터 언로드 밸브(15)의 수압부(15c)에 유도된다. 언로드 밸브(15)의 수압부(15c)에 붐 실린더(3a)의 부하압이 유도됨으로써, 언로드 밸브(15)의 크래킹압은, 부하압＋스프링(15c)의 세트압으로 설정되고, 메인 펌프(2)의 토출압은 부하압＋스프링(15c)의 세트압＋오버 라이드 특성의 압력까지 상승한다. 압력 센서(40, 41)는 이때의 메인 펌프(2)의 토출압과 최고 부하압을 검출한다.

컨트롤러(50)에서는, 전체 조작 레버의 중립 시와 마찬가지로, 도 2에 도시하는 기능 블록도의 처리 기능에 따라서, 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력, 즉 메인 펌프(2)의 토출압이 최고 부하압보다도 목표 LS 차압 PGR만큼 높아지도록, 인버터의 지령 신호 Vinv를 증감시키고, 전동기(1)의 회전수를 제어하고, 전동기(1)를 사용한, 소위 로드 센싱 제어를 행한다. 이 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*은 조작 레버의 조작량(요구 유량)에 따라 증감하고, 연산부(50i)의 제한 처리에 의해 최소부터 최대까지 변화한다. 그 결과, 전동기(1)의 회전수[메인 펌프(2)의 회전수]도 마찬가지로 조작 레버의 조작량(요구 유량)에 따라 최소부터 최대까지 변화한다.

한편, 이때의 메인 펌프(2)의 토출압을 Pb라고 하고, 경부하이므로 Pb＜P0이라고 하면, 토크 제어 장치(17)의 토크 제어 틸팅 피스톤(17a)은 동작하지 않고, 메인 펌프(2)의 용량은 최대에 있다. 도 3 중, 이때의 상태의 일례를 B점으로 나타내고 있다.

여기서, 전동기(1)의 최대 회전수는 가상 용량 q*이 qmax에 있을 때의 회전수이며, 최대 회전수를 Nmax라고 하면,

Qd＝qmax×N0＝qmax×Nmax

Nmax＝N0

이다.

즉, 이때의 메인 펌프(2)의 실용량 q와 가상 용량 q*과 회전수 N은 다음과 같이 된다.

q＝qmax

qmin＜q*≤qmax

Nmin＜N≤Nmax

(Nmin＜N≤N0)

＜붐 상승 단독 조작(중부하)＞

붐 실린더(3a)의 부하압이 높아지고, 메인 펌프(2)의 토출압[압유 공급 유로(5)의 압력]이 토크 제어 장치(17)의 스프링(17b1, 17b2)에 의해 결정되는 소정의 압력 P0 이상으로 된 경우, 컨트롤러(50)에서는, 「붐 상승 단독 조작(경부하)」의 경우와 마찬가지로, 전동기(1)를 사용한 로드 센싱 제어를 행한다. 이때도, 「붐 상승 단독 조작(경부하)」의 경우와 마찬가지로, 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*은 조작 레버의 조작량(요구 유량)에 따라 증감하여 최소부터 최대까지 변화하고, 전동기(1)의 회전수[메인 펌프(2)의 회전수]도 마찬가지로 조작 레버의 조작량(요구 유량)에 따라 최소부터 최대까지 변화한다.

한편, 이때는, 메인 펌프(2)의 토출압이 소정의 압력 P0 이상이기 때문에, 토크 제어 장치(17)의 토크 제어 틸팅 피스톤(17a)이 작동하고, 메인 펌프(2)의 용량을 감소시킨다. 이로 인해 메인 펌프(2)의 토출압이 상승하는 것에 따라서 메인 펌프(2)의 용량을 감소시키는, 소위 토크 제한 제어가 행해진다. 도 3 중, 이때의 상태의 일례를 C점으로 나타내고 있다. 메인 펌프(2)의 토출압은 Pc(＞P0)이며, 용량은 qc이다.

여기서, 전술한 바와 같이, 도 3의 TP1, TP2의 특성선은 스프링(17b1, 17b2)에 의해 설정되어 있고, 메인 펌프(2)의 흡수 토크(펌프 토출압과 용량의 곱)-따라서 전동기(1)의 구동 토크-는 특성선 TP1, TP2에 접하는 최대 토크(제한 토크) TM을 초과하지 않도록 제어된다.

즉, 메인 펌프(2)의 실용량 q와 가상 용량 q*과 회전수 N은 다음과 같이 된다.

q＝qc

qmin＜q*≤qmax

Nmin＜N≤Nmax

(Nmin＜N≤N0)

＜붐 상승 단독 조작(릴리프 시)＞

붐 실린더(3a)가, 예를 들어 신장되어 스트로크 엔드에 도달하는 경우, 메인 펌프(2)의 토출압[제2 압유 공급 유로(4a)의 압력]은 더욱 높아지고, 릴리프 밸브(14)의 설정압까지 상승해 간다. 릴리프 밸브(14)가 작동하면, 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력은, 릴리프 밸브(14)의 스프링에 의해 미리 설정된 압력(소위 릴리프압-Pmax)으로 유지된다. 또한, 신호 유로(27)에는, 유량 제어 밸브(6a)의 부하 포트(26a)를 경유하여 붐 실린더(3a)의 부하압이 유도되지만, 이 압력은 상기 릴리프압과 동등해진다. 즉, 이 상태에서는, 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력은 신호 유로(27)의 압력과 동등하고, 릴리프 밸브(14)에 의해 설정되는 릴리프압과 동일해진다.

또한, 컨트롤러(50)에는, 압력 센서(40)에 의한 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력의 검출 신호 Vps와, 압력 센서(41)에 의한 신호 유로(27)의 압력의 검출 신호 VPLmax가 유도되지만, 이들 압력은 동등하고, 릴리프 밸브(14)에 의해 설정되는 릴리프압과 동일하다.

이때 컨트롤러(50)는 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력이 신호 유로(27)의 압력보다도 목표 LS 차압 PGR만큼 높아지도록 메인 펌프(2)의 가상 용량 q*을 증감시키지만, 이 경우에는, PLS＝Pps-Plmax＝0＜PGR이므로, ΔP(＝PGR-PLS)는 정의 값으로 되고, 메인 펌프(2)의 가상 용량 q*이 증가한다. 이 가상 용량 q*에 대해 연산부(50i)에 최소 용량 qmin과 최대 용량 qmax가 설정되어 있고, 붐 실린더(3a)가 스트로크 엔드에 도달한 경우 등에는, 가상 용량 q*은 최대 용량 qmax까지 커지고, 그 최대 용량 qmax로 유지된다. 이로 인해, 목표 유량 Qd가 증가하여 최대의 값으로 되고, 또한 메인 펌프(2)의 목표 회전수 Nd 및 인버터(60)의 지령 신호 Vinv가 증가하여 각각 최대의 값으로 된다. 그 결과, 전동기(1)의 회전수는 기준 회전수 N0과 동등한 최대값 Nmax로 유지된다.

한편, 이때도 메인 펌프(2)의 토출압(Pmax)은 소정의 압력 P0 이상이기 때문에, 토크 제어 장치(17)의 토크 제어 틸팅 피스톤(17a)이 작동하고, 메인 펌프(2)의 용량을 감소시키는 토크 제한 제어가 행해진다. 도 3 중, 이때의 상태를 D점으로 나타내고 있다. 메인 펌프(2)의 용량은 토크 제한 제어의 최소 용량 qlimit-min까지 감소한다.

q＝qlimit-min

q*＝qmax

N＝Nmax＝Nd

이상은 붐 조작을 행한 경우의 동작이지만, 아암(307) 등 그 외의 작업 요소에 대응하는 조작 레버 장치의 조작 레버를 조작한 경우도 마찬가지이다.

∼효과∼

도 5a는, 종래의 전동기 회전수 제어에 의해 로드 센싱 제어를 행하는 유압 구동 장치의 마력 특성을 나타내는 도면이며, 도 5b는 본 실시 형태의 유압 구동 장치의 마력 특성을 나타내는 도면이다. 종래의 유압 구동 장치에 있어서의 고정 용량식의 유압 펌프의 용량(일정)은 도 3에 도시하고 본 실시 형태에 있어서의 메인 펌프(2)의 최대 용량과 동일한 qmax라고 가정한다.

종래의 전동기 회전수 제어에 의해 로드 센싱 제어를 행하는 유압 구동 장치에서는, 유압 펌프가 고정 용량식의 유압 펌프이기 때문에, 유압 펌프의 토출압이 최대 Pmax로 될 때, 유압 펌프의 용량은 최대 qmax로 일정한 상태이다. 이로 인해 로드 센싱 제어에 의해 전동기의 회전수가 최대로 제어되었을 때, 유압 펌프의 토출 유량은 최대 Qmax로 되고, 유압 펌프의 소비 마력은 최대 토출압 Pmax와 최대 토출 유량 Qmax의 곱으로 나타내어지는 값(도 5a 사선부의 면적)까지 증가한다. 그 결과, 전동기의 출력 마력이 유압 펌프의 소비 마력에 대응하는 HM*로 커져, 전동기의 소비 전력이 증가한다. 또한, 이때는, 전동기 냉각용의 소비 전력도 증대한다. 따라서, 전동기의 전력원인 배터리(축전 장치)의 방전량이 증대하고, 배터리의 감소가 빨라, 작업 기계의 가동 시간이 짧아져 버린다고 하는 문제가 있다.

또한, 전동기는 유압 펌프의 최대의 소비 마력을 고려하여 출력을 정할 필요가 있어, 큰 출력의 전동기가 필요해진다는 문제도 있다.

이에 대해, 본 실시 형태에서는, 전동기 회전수 제어에 의해 로드 센싱 제어를 행할 뿐만 아니라, 메인 펌프(2)를 가변 용량형으로서 토크 제어 장치(17)를 설치하고, 「붐 상승 단독 조작(중부하)」 및 「붐 상승 단독 조작(릴리프 시)」의 동작예에서 설명한 바와 같이, 메인 펌프(2)의 토출압이 상승하였을 때에 메인 펌프의 흡수 토크가 최대 토크 TM을 초과하지 않도록 제어하고 있다. 이와 같이 메인 펌프(2)의 토크 제한 제어를 행함으로써, 메인 펌프(2)의 토출압이 상승하였을 때에, 메인 펌프(2)의 흡수 토크는 최대 토크 TM 이하로 제어되고, 메인 펌프(2)의 소비 마력은 최대 토크 TM에 그때의 메인 펌프(2)의 회전수를 곱한 최대 마력 HM을 초과하지 않도록 제어된다. 그 결과, 메인 펌프(2)의 소비 마력이 억제되어, 종래의 전동기 회전수 제어에 의해 로드 센싱 제어를 행하는 경우에 비해 전동기(1)의 출력 마력도 HM으로 줄고, 전동기(1)의 소비 전력이 감소한다. 이에 의해 배터리(70)를 오래 가게 하여, 전동식 유압 작업 기계의 가동 시간을 연장할 수 있다. 또한, 전동기(1)의 출력 마력이 줄어듦으로써 전동기(1)를 소형화할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 컨트롤러(50)의 로드 센싱 제어 연산부(50a∼50c, 50f∼50h)에 유압 펌프의 가상 용량 q*이라고 하는 개념을 도입하여 로드 센싱 제어의 목표 유량 Qd를 구하고, 전동기(1)의 회전수 제어에 의한 로드 센싱 제어를 행하므로, 전동기(1)의 회전수 제어에 의한 로드 센싱 제어의 성능의 향상이 용이하게 된다.

예를 들어, 컨트롤러(50)는 기준 회전수 지시 다이얼(51)의 지시 신호 Vec에 기초하여 기준 회전수 N0을 설정하고, 또한 이 기준 회전수 N0에 기초하여 기준 회전수 N0의 크기에 따른 목표 LS 차압 PGR과 목표 유량 Qd를 연산한다.

이에 의해 오퍼레이터가 기준 회전수 지시 다이얼(51)을 조작하여 기준 회전수 N0을 작게 함으로써, 목표 LS 차압 PGR과 목표 유량 Qd가 작아지기 때문에, 전동기(1)의 회전수 변화와 회전수가 작아져, 양호한 미세 조작성을 얻을 수 있다. 또한, 제2 실시 형태로서 후술하는 바와 같이, 컨트롤러(50)에 토크 제어 장치(17)와 동일한 작용을 하는 제어 알고리즘을 내장하는 것도 용이하게 된다.

제2 실시예

도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태도, 본 발명을 프론트 스윙식의 유압 셔블의 유압 구동 장치에 적용한 경우의 것이다.

∼구성∼

도 6에 있어서, 본 실시 형태에 따른 유압 구동 장치는, 도 1에 도시하는 제1 실시 형태와 달리, 메인 펌프(2A)는 고정 용량형이며, 메인 펌프(2A)는 마력 제어용의 토크 제어 장치(17)를 구비하고 있지 않다. 한편, 컨트롤러(50A)는 메인 펌프(2A)의 마력 제어를 모의하는 제어 기능(토크 제어 장치의 기능)을 구비하고 있다.

도 7은 컨트롤러(50A)의 처리 내용을 도시하는 기능 블록도이다.

컨트롤러(50A)는, 메인 펌프(2A)의 가상 용량 q*을 연산하는 연산부(50a∼50h)를 포함하는 제어 블록에 연산부(50r, 50s)가 추가되고, 메인 펌프(2A)의 토출압에 의해 가상 용량 q*의 최대값을 감소시키도록 구성되어 있다.

즉, 연산부(50r)는 토크 제어를 모의하는 특성을 설정한 테이블을 갖고, 연산부(50r)에는 연산부(50a)에서 변환한 메인 펌프(2A)의 토출압 Pps가 입력되고, 연산부(50r)는 그 메인 펌프(2A)의 토출압 Pps를 테이블에 참조하여 대응하는 가상 용량의 제한값(최대 가상 용량) q*limit를 산출한다.

도 8은 메인 펌프(2A)의 토크 특성과 연산부(50r)에 설정되는 토크 제어를 모의하는 특성(토크 제어 특성)을 나타내는 도면이다.

메인 펌프(2A)는 고정 용량형이기 때문에, 메인 펌프(2A)의 용량은 메인 펌프(2A)의 토출압의 전체 범위에 걸쳐 일정하고, 특성선 TP0상의 최대 용량 qmax에 있다.

연산부(50r)에 설정되는 토크 제어 특성은, 메인 펌프(2A)의 토출압이 P0보다 낮을 때의 메인 펌프(2A)의 최대 용량의 특성선 TP0에 대응하는 특성과, 메인 펌프(2A)의 토출압이 P0 이상으로 되었을 때의 토크 일정 곡선 TP4로 구성되어 있다.

이와 같이 연산부(50r)에 토크 제어 특성이 설정되어 있는 결과, 연산부(50r)에서는, 메인 펌프(2A)의 토출압 Pps가 낮고, Pps＜P0에서는 특성선 TP0에 기초하여 q*limit＝qmax가 연산되고, 메인 펌프(2A)의 토출압 Pps가 상승하고, Pps≥P0이 되면, 토크 일정 곡선 TP4에 기초하여 q*limit＝qlimit가 연산된다.

연산부(50h)에서는, 제1 실시 형태에 있어서 설명한 바와 같이, 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*이 연산된다. 연산부(50s)는 연산부(50h)에서 연산된 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*과 연산부(50r)에서 구한 가상 용량의 제한값 q*limit 중 작은 쪽을 선택하여 새로운 가상 용량 q**을 출력한다. 여기서, 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*과 가상 용량의 제한값 q*limit가 동일한 값일 때는, 그 어느 한쪽, 예를 들어 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*을 선택한다고 하는 바와 같이 미리 룰을 결정해 둔다. 연산부(50s)에서의 작은 값 선택은, 제1 실시 형태에 있어서, 토크 제어 장치(17)가 메인 펌프(2A)의 토출압이 상승하면 용량을 줄이도록 제어하는 것에 대응한다.

그 이외의 처리[연산부(50a∼50h), 연산부(50i∼50m)의 처리]는 도 2에 도시한 것과 동일하다.

연산부(50r 및 50s)는 압력 센서(40)가 검출한 메인 펌프(2A)의 토출압 Pps에 기초하여, 메인 펌프(2A)의 토출압 Pps가 높아지는 것에 따라서 감소하는 가상 용량의 제한값 q*limit를 연산하고, 상기 로드 센싱 제어 연산부[연산부(50a∼50c, 50f∼50h)]에서 계산한 가상 용량 q*과 가상 용량의 제한값 q*limit 중 작은 쪽을 선택하여 새로운 가상 용량 q**을 구하는 토크 제한 제어 연산부를 구성한다.

∼동작∼

다음으로 본 실시 형태의 동작을 설명한다.

＜조작 레버 중립 시＞

조작 레버 장치(122, 123, 124)의 조작 레버를 포함하는 모든 조작 장치의 중립에 있을 때는, 제1 실시 형태의 「조작 레버 중립 시」의 동작예에서 설명한 바와 같이, 메인 펌프(2A)의 토출압은 언로드 밸브(15)의 스프링(15c)의 세트압 상당의 Pmin이다. 도 9 중, 이때의 상태를 A1점으로 나타내고 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이, 컨트롤러(50A)의 연산부(50f)에서 연산되는 차압 편차 ΔP(＝PGR-PLS)는 부의 값이며, 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*은 감소한다.

한편, 컨트롤러(50A)의 연산부(50a)에서 구해지는 메인 펌프(2A)의 토출압 Pps는 Pmin이며, 연산부(50r)에서는, Pps＜P0이기 때문에, 토크 제어를 모의하는 특성으로부터 가상 용량의 제한값 q*limit로서 qmax를 산출한다.

여기서, q*≤q*limit이므로, 연산부(50s)에서는, 연산부(50h)에서 연산된 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*을 선택하고, 이것을 새로운 가상 용량 q**로서 출력한다.

이 이후의 처리는, 제1 실시 형태에 있어서의 「조작 레버 중립 시」의 경우와 동일하다.

여기서, 가상 용량 q**은 연산부(50i)의 제한 처리에 의해 최소 용량 qmin까지 작아지고, 목표 유량 Qd, 메인 펌프(2A)의 목표 회전수 Nd, 인버터(60)의 지령 신호 Vinv가 각각 최소의 값으로 된다. 이에 의해 전동기(1)의 회전수가 최소값으로 유지되고, 메인 펌프(2A)의 토출 유량도 최소로 유지된다.

즉, 메인 펌프(2A)의 실용량 q와 가상 용량 q*과 회전수 N은 다음과 같이 된다.

q＝qmax(고정)

q**＝qmin

N＝Nmin＝N0×(qmin/qmax)

＜붐 상승 단독 조작(경부하)＞

조작 레버 장치(122, 123) 중 붐에 대응하는 조작 레버 장치의 조작 레버를 붐 상승 방향으로 조작하여 붐 상승 조작을 행한 경우, 컨트롤러(50A)에서 연산되는 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*은 조작 레버의 조작량(요구 유량)에 따라 증감한다. 이때, 메인 펌프(2A)의 토출압이 도 9 중의 B1점으로 나타나는 압력 Pb에 있다고 하면, 컨트롤러(50A)의 연산부(50a)에서 구해지는 메인 펌프(2A)의 토출압 Pps는 Pps＜P0이기 때문에, 연산부(50r)에서는 토크 제어를 모의하는 특성(도 9의 특성선 TP0)으로부터 가상 용량의 제한값 q*limit로서 qmax를 산출한다.

그리고 이 경우도, q*≤q*limit이므로, 연산부(50s)에서는 연산부(50h)에서 연산된 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*을 선택하고, 이것을 새로운 가상 용량 q**로서 출력한다.

이 이후의 처리는 제1 실시 형태에 있어서의 「붐 상승 단독 조작(경부하)」의 경우와 동일하다.

여기서, 가상 용량 q**은 조작 레버의 조작량(요구 유량)에 따라 증감하고, 연산부(50i)의 제한 처리에 의해 최소부터 최대까지 변화한다. 그 결과, 전동기(1)의 회전수[메인 펌프(2A)의 회전수]도 마찬가지로 조작 레버의 조작량(요구 유량)에 따라 최소부터 최대까지 변화한다.

즉, 이때의 메인 펌프(2A)의 실용량 q와 가상 용량 q*과 회전수 N은 다음과 같이 된다.

q＝qmax(고정)

qmin＜q**≤qmax

Nmin＜N≤Nmax

(Nmin＜N≤N0)

＜붐 상승 단독 조작(중부하)＞

붐 실린더(3a)의 부하압이 높아지는 중부하 시에 있어서도, 컨트롤러(50A)에서 연산되는 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*은 조작 레버의 조작량(요구 유량)에 따라 증감한다. 이때, 중부하 시에서 메인 펌프(2A)의 토출압이 도 9 중의 C1점으로 나타나는 압력 Pb에 있다고 하면, 컨트롤러(50A)의 연산부(50a)에서 구해지는 메인 펌프(2A)의 토출압 Pps는 Pps＞P0으로 되고, 연산부(50r)에서는, 토크 제어를 모의하는 특성(도 9의 토크 일정 곡선 TP4)으로부터 가상 용량의 제한값 q*limit로서 qlimit(＜qmax)를 산출한다. 도 9 중, 이때의 토크 일정 곡선 TP4상의 위치를 C2점으로 나타내고 있다. C2점에서는 q*limit＝qc이다.

연산부(50s)에서는, 가상 용량 q*과 가상 용량의 제한값 q*limit 중 작은 쪽을 선택하여 새로운 가상 용량 q**로서 출력한다. 즉, q*≤q*limit의 경우에는 q*을 선택하고, q*＞q*limit의 경우에는 q*limit를 선택하고, 각각 이들을 새로운 가상 용량 q**로서 출력한다.

이 이후의 처리는, 제1 실시 형태에 있어서의 「붐 상승 단독 조작(중부하)」의 경우와 동일하다.

여기서, 가상 용량 q**이 q*limit로 제한되므로, 목표 유량 Qd, 메인 펌프(2A)의 목표 회전수 Nd, 인버터(60)의 지령 신호 Vinv가 각각 마찬가지로 제한되고, 전동기(1)의 회전수가 제한된다.

이와 같이 컨트롤러(50)의 내부에, 제1 실시 형태에 있어서의 토크 제어 장치(17)와 동일한 작용을 갖는 제어 기능을 갖고, 메인 펌프(2A)의 흡수 토크가 최대 토크(제한 토크) TM을 초과하지 않도록 제어된다.

이때의 가상 용량의 제한값 q*limit에 대응하는 회전수를 Nlimit로 하면, 메인 펌프(2A)의 실용량 q와 가상 용량 q**과 회전수 N은 다음과 같이 된다.

q＝qmax(고정)

qmin＜q**≤qlimit

Nmin＜N≤Nlimit

＜붐 상승 단독 조작(릴리프 시)＞

붐 실린더(3a)가, 예를 들어 신장되어 스트로크 엔드에 도달하는 경우에는, 전술한 바와 같이, 메인 펌프(2A)의 토출압은 릴리프압 Pmax로 유지되고, 최고 부하압도 릴리프압과 동일해진다. 도 9 중, 이때의 상태를 D1점으로 나타내고 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이, 컨트롤러(50A)의 연산부(50f)에서 연산되는 차압 편차 ΔP(＝PGR-PLS)는 정의 값으로 되고, 로드 센싱 제어의 가상 용량 q*은 증가한다.

한편, 컨트롤러(50A)의 연산부(50a)에서 구해지는 메인 펌프(2A)의 토출압 Pps는 Pmax이기 때문에, 연산부(50r)에서는, 토크 제어를 모의하는 특성(도 9의 토크 일정 곡선 TP4)으로부터 가상 용량의 제한값 q*limit로서 도 9 중의 D2점에 있어서의 qlimit-min을 산출하고, q*＞q*limit이기 때문에, 연산부(50s)에서는, 연산부(50r)에서 연산한 가상 용량의 제한값 q*limit를 선택하고, 이것을 새로운 가상 용량 q**로서 출력한다.

이 이후의 처리는, 「붐 상승 단독 조작(릴리프 시)」의 경우와 동일하다.

여기서, 가상 용량 q**은 qlimit-min으로 제한되므로, 목표 유량 Qd, 메인 펌프(2A)의 목표 회전수 Nd, 인버터(60)의 지령 신호 Vinv도 각각 마찬가지로 제한되고, 전동기(1)의 회전수가 제한된다.

이에 의해, 이때도 메인 펌프(2A)의 흡수 토크가 최대 토크(제한 토크) TM을 초과하지 않도록 제어된다.

이때의 qlimit-min에 대응하는 회전수를 Nlimit-min으로 하면, 메인 펌프(2A)의 실용량 q와 가상 용량 q**과 회전수 N은 다음과 같이 된다.

q＝qmax(고정)

q**＝qlimit-min

N＝Nlimit-min

∼효과∼

본 실시 형태에 의해도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 메인 펌프(2A)의 흡수 토크는 최대 토크 TM 이하로 제어되고, 메인 펌프(2A)의 소비 마력은 최대 토크 TM에 그때의 메인 펌프(2A)의 회전수를 곱한 최대 마력 HM을 초과하지 않도록 제어된다. 그 결과, 메인 펌프(2A)의 소비 마력이 억제되고, 종래의 전동기 회전수 제어에 의해 로드 센싱 제어를 행하는 경우에 비해 전동기(1)의 출력 마력도 HM으로 줄고, 소비 전력이 감소한다. 이에 의해 배터리(70)를 오래 가게 하여, 전동식 유압 작업 기계의 가동 시간을 연장할 수 있다. 또한, 전동기(1)의 출력 마력이 줄어듦으로써 전동기(1)를 소형화할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 의하면, 메인 펌프(2A)가 고정 용량형이므로, 메인 펌프(2A)의 크기를 작게 억제할 수 있어, 공간 절약을 실현할 수 있다.

＜그 외＞

이상의 실시 형태는 본 발명의 정신의 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 압력 보상 밸브(7a, 7b, 7c…)는, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)의 미터인 스로틀부의 하류측에 배치되고, 모든 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)의 하류 압력을 동일한 최대 부하압으로 제어함으로써 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)의 전후 차압을 동일한 차압으로 제어하는 후치 타입으로 하였지만, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c…)의 미터인 스로틀부의 상류측에 배치되고, 미터인 스로틀부의 전후 차압을 설정값으로 제어하는 전치 타입이어도 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 작업 기계가 유압 셔블인 경우에 대해 설명하였지만, 메인 펌프의 토출유에 기초하여 복수의 액추에이터를 구동하는 작업 기계이면, 유압 셔블 이외 건설 기계(예를 들어, 유압 크레인, 휠식 셔블 등)에 본 발명을 적용하고, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

1 : 전동기
2, 2A : 유압 펌프(메인 펌프)
2a : 제1 압유 공급 유로
3a, 3b, 3c… : 액추에이터
4 : 컨트롤 밸브
4a : 제2 압유 공급 유로
6a, 6b, 6c… : 유량 제어 밸브
7a, 7b, 7c… : 압력 보상 밸브
8a, 8b, 8c… : 유로
9a, 9b, 9c…: 셔틀 밸브
14 : 메인 릴리프 밸브
15 : 언로드 밸브
15a : 스프링
15b : 개방 방향 작동의 수압부
15c : 폐쇄 방향 작동의 수압부
17 : 토크 제어 장치
17a : 토크 제어 틸팅 피스톤
17b1, 17b2 : 스프링
21a, 21b, 21c… : 폐쇄 방향 작동의 수압부
22a, 22b, 22c… : 개방 방향 작동의 수압부
24 : 게이트 로크 레버
25a, 25b, 25c… : 유로
26a, 26b, 26c… : 부하 포트
27, 27a, 27b, 27c… : 신호 유로
30 : 파일럿 펌프
31, 31a : 파일럿 유로
32 : 파일럿 릴리프 밸브
38 : 파일럿 유압원
40, 41 : 압력 센서
50, 50A 컨트롤러
50a∼50m : 연산부
50r, 50s : 연산부
51 : 기준 회전수 지시 다이얼(51)
60 : 인버터
61 : 쵸퍼
70 : 배터리
100 : 게이트 로크 밸브
122, 123 : 조작 레버 장치
q* : 가상 용량
q*limit : 가상 용량의 제한값
TP1, TP2 : 토크 제어의 특성선
TP4 : 토크 일정 곡선

Claims

전동기(1)와,
이 전동기에 의해 구동되는 유압 펌프(2)와,
이 유압 펌프로부터 토출된 압유에 의해 구동되는 복수의 액추에이터(3a∼3c)와,
상기 유압 펌프로부터 복수의 액추에이터로 공급되는 압유의 유량을 제어하는 복수의 유량 제어 밸브(6a∼6c)와,
상기 전동기에 전력을 부여하는 축전 장치(20)를 구비한 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치에 있어서,
상기 유압 펌프의 토출압이 상기 복수의 액추에이터의 최고 부하압보다 목표 차압만큼 높아지도록 상기 유압 펌프의 회전수를 제어하는 로드 센싱 제어를 행하는 전동기 회전수 제어 장치(40, 41, 50, 51, 60, 61)와,
상기 유압 펌프의 토출압이 상승하였을 때에 상기 유압 펌프의 토출 유량을 감소시킴으로써 상기 유압 펌프의 흡수 토크가 미리 설정한 최대 토크를 초과하지 않도록 제어하는 토크 제어 장치(17; 50r, 50s)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치.
제1항에 있어서,
상기 전동기 회전수 제어 장치는,
상기 유압 펌프의 토출압을 검출하는 제1 압력 센서(40)와,
상기 최대 부하압을 검출하는 제2 압력 센서(41)와,
상기 전동기의 회전수를 제어하는 인버터(60)와,
컨트롤러(50; 50A)를 구비하고,
상기 컨트롤러는,
상기 제1 및 제2 압력 센서가 검출한 상기 유압 펌프(2; 2A)의 토출압(Pps) 및 상기 최고 부하압(PPLmax)과 목표 LS 차압(PGR)에 기초하여, 상기 유압 펌프의 토출압과 상기 최고 부하압과의 차압(PLS)과 상기 목표 LS 차압과의 차압 편차(ΔP)의 정부에 따라 증감하는 상기 유압 펌프의 가상 용량(q*)을 연산하는 로드 센싱 제어 연산부(50a∼50c, 50f∼50h)를 갖고, 상기 가상 용량에 기준 회전수(N0)를 곱하여 상기 유압 펌프의 목표 유량(Qd)을 연산하고, 상기 유압 펌프의 토출 유량이 상기 목표 유량으로 되도록 상기 전동기(1)의 회전수를 제어하기 위한 제어 지령(Vinv)을 상기 인버터에 출력하는 것을 특징으로 하는, 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 유압 펌프는 가변 용량형의 유압 펌프(2)이고,
상기 토크 제어 장치는, 상기 유압 펌프(2)에 내장된 레귤레이터(17)인 것을 특징으로 하는, 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치.
제2항에 있어서,
상기 유압 펌프는 고정 용량형의 유압 펌프(2A)이고,
상기 토크 제어 장치는, 상기 컨트롤러(50A)에 내장된 상기 컨트롤러의 일 기능으로서 구성되고,
상기 컨트롤러는, 상기 제1 압력 센서(40)가 검출한 상기 유압 펌프의 토출압(Pps)에 기초하여, 상기 유압 펌프의 토출압이 높아지는 것에 따라서 감소하는 가상 용량의 제한값(q*limit)을 연산하고, 상기 로드 센싱 제어 연산부(50a∼50c, 50f∼50h)에서 연산한 상기 가상 용량(q*)과 상기 가상 용량의 제한값 중 작은 쪽을 선택하여 새로운 가상 용량(q**)을 구하는 토크 제한 제어 연산부(50r, 50s)를 더 갖고, 상기 새로운 가상 용량에 상기 기준 회전수(N0)를 곱하여 상기 유압 펌프의 목표 유량(Qd)을 연산하는 것을 특징으로 하는, 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치.
제2항 또는 제4항에 있어서,
상기 기준 회전수(N0)를 지시하는 조작 장치(51)를 더 구비하고,
상기 컨트롤러(50, 50A)는 상기 조작 장치의 지시 신호에 기초하여 상기 기준 회전수를 설정하고, 또한 이 기준 회전수에 기초하여 상기 기준 회전수의 크기에 따른 상기 목표 LS 차압(PGR)과 상기 목표 유량(Qd)을 연산하는 것을 특징으로 하는, 전동식 유압 작업 기계의 유압 구동 장치.