KR20140025548A - 선회 구동장치 - Google Patents

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지츠타카 다케오
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스미토모 겐키 가부시키가이샤
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Abstract

선회 구동장치는, 축전장치(120)로부터의 전력으로 구동되어 선회체(3)를 구동하는 선회용 전동기(21)와, 선회용 전동기의 구동을 제어하는 인버터(20)와, 제어신호라인을 통하여 인버터에 접속된 컨트롤러(30)와, 선회용 전동기(21)의 제어에 이상이 발생하였을 때에 인버터(20)에 지령을 주는 비상시 조작부를 포함한다. 인버터(20)는, 비상시 조작부로부터의 신호에 근거하여, 제어신호라인을 차단하고, 또한 선회용 전동기(21)의 구동을 제어한다.

Description

선회 구동장치{Slew drive device}
본 발명은 건설기계 등에 설치된 선회체를 구동하는 선회 구동장치에 관한 것이다.
쇼벨 등의 건설기계에는, 버킷 등의 작업요소가 장착된 선회체를 구동하는 구동장치가 설치되는 경우가 많다. 예를 들면, 쇼벨에 있어서 작업요소인 버킷은 조종실이 설치된 상부 선회체에 장착되고, 상부 선회체가 선회함으로써 버킷도 함께 선회한다. 이로써, 쇼벨의 주위에서 작업을 행하는 위치에 버킷을 선회 이동시킬 수 있다. 따라서, 쇼벨에는 상부 선회체를 선회 구동하는 선회기구가 설치된다.
상술의 선회기구에 있어서, 선회용 전동기를 구동원으로서 이용하는 경우가 있다. 선회용 전동기에는 인버터의 제어하에서 전력이 공급된다. 인버터는, 쇼벨의 구동기구 전체를 제어하는 컨트롤러에 의하여 제어된다. 여기에서, 컨트롤러 자체나 인버터와 컨트롤러와의 사이의 제어통신라인에 이상이 발생한 경우, 컨트롤러에 의하여 인버터를 제어할 수 없게 되어, 그 결과, 선회기구를 정상적으로 구동할 수 없게 될 우려가 있다.
따라서, 하위 제어부(예를 들면, 상술의 인버터)가 상위 제어부(예를 들면, 상술의 컨트롤러)의 이상을 감시하고, 상위 제어부에서의 이상을 검출하면, 하위 제어부가 당해 이상에 대처하여 장치를 제어하는 기술이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
선행기술문헌
(특허문헌)
특허문헌 1: 국제 공개 팸플릿 WO2010/064625
선회용 전동기를 포함하는 선회기구를 이용한 쇼벨에 있어서, 컨트롤러나 컨트롤러와 인버터와의 사이의 제어통신라인에 이상이 발생한 경우, 선회기구의 구동을 정지함으로써 당해 이상에 대처할 수 있다.
그런데, 선회기구의 구동을 정지한 경우, 상부 선회체의 선회방향의 위치를 변경할 수 없게 되기 때문에, 예를 들면 버킷의 위치도 정지한 위치에 고정된 채로 된다. 이 경우, 예를 들면 버킷이 방해가 되어 다른 방법으로 작업을 속행할 수 없을 우려가 있다. 혹은, 상부 선회체 또는 버킷이 정지위치에 고정된 채이면, 쇼벨의 밸런스가 나쁜 상태 그대로 방치해야 되는 상황으로 될 우려가 있다.
본 발명은 상술의 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 컨트롤러나 컨트롤러와 인버터와의 사이의 제어통신라인에 이상이 발생한 경우에도, 상부 선회체를 통상의 제어에 관계없이 일시적으로 선회시킬 수 있는 선회 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 엔진의 동력을 전력으로 변환하고, 변환된 전력에 의하여 선회체를 회전운동시키는 선회 구동장치로서, 전기에너지를 축전하는 축전장치와, 축전장치로부터의 전력으로 구동되어 선회체를 구동하는 선회용 전동기와, 상기 선회용 전동기의 구동을 제어하는 인버터와, 제어신호라인을 통하여 상기 인버터에 접속된 컨트롤러와, 상기 선회용 전동기의 제어에 이상이 발생하였을 때에 상기 인버터에 지령을 주는 비상시 조작부를 가지고, 상기 인버터는, 상기 비상시 조작부로부터의 신호에 근거하여, 상기 제어신호라인을 차단하고, 또한 상기 선회용 전동기의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 선회 구동장치가 제공된다.
본 발명의 다른 목적, 특징, 및 이점은, 첨부된 도면을 참조하면서 이하의 발명의 상세한 설명을 읽음으로써, 한층 명료해질 것이다.
상술의 발명에 의하면, 컨트롤러나 제어통신라인의 이상에 의하여 선회용 전동기를 정상적으로 구동할 수 없게 된 경우에도, 비상시 조작부로부터의 신호에 의하여 인버터를 제어하여, 선회용 전동기를 구동할 수 있다. 따라서, 이상 발생에 의하여 통상의 제어를 행할 수 없는 상황이더라도, 선회용 전동기로 구동되는 선회체를 원하는 위치에 선회시킬 수 있다.
도 1은 하이브리드형 쇼벨의 측면도이다.
도 2는 일 실시형태에 의한 하이브리드형 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 축전계의 회로도이다.
도 4는 비상시 조작부의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 5는 비상시 조작부의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 6은 상부 선회체를 선회시킬 때의 일례에 있어서의 각 제어요소의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 7은 상부 선회체를 선회시킬 때의 다른 예에 있어서의 각 제어요소의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 8은 상부 선회체를 선회시킬 때의 또 다른 예에 있어서의 각 제어요소의 변화를 나타내는 타임차트이다.
다음으로, 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 쇼벨의 일례인 하이브리드형 쇼벨의 측면도이다.
도 1에 나타내는 하이브리드형 쇼벨의 하부 주행체(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부 선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부 선회체(3)에는, 붐(4)이 장착되어 있다. 붐(4)의 선단에, 암(5)이 장착되고, 암(5)의 선단에 버킷(6)이 장착되어 있다. 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)은, 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)에 의하여 각각 유압구동된다. 상부 선회체(3)에는, 캐빈(10)이 설치되고, 또한 엔진 등의 동력원이 탑재된다.
도 2는, 도 1에 나타내는 하이브리드형 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계는 이중선, 고압유압라인은 실선, 파일럿라인은 파선, 전기구동·제어계는 실선으로 각각 나타나 있다.
기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 변속기(13)의 2개의 입력축에 각각 접속되어 있다. 변속기(13)의 출력축에는, 유압펌프로서 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다. 유압펌프(14)는 가변용량식 유압펌프이며, 경사판의 각도(경전각(傾轉角))를 제어함으로써 피스톤의 스트로크 길이를 조정하여, 토출유량을 제어할 수 있다.
엔진(11)에는, 엔진회전수를 검출하는 엔진회전수 검출기(11a)가 구비되어 있다. 엔진회전수 검출기(11a)에 의하여 검출된 엔진회전수는, 엔진컨트롤유닛(ECU: Engine Control Unit)(11b)에 입력된다. 엔진컨트롤유닛(11b)은, 검출된 엔진회전수에 근거하여, 엔진(11)의 피드백제어를 행한다. 또, 엔진컨트롤유닛(11b)은, 검출된 엔진회전수를 후술하는 컨트롤러(30)에 송신한다.
컨트롤밸브(17)는, 하이브리드형 쇼벨에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 하부 주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)는, 고압유압라인을 통하여 컨트롤밸브(17)에 접속된다.
전동발전기(12)에는, 인버터(18A)를 통하여, 축전기를 포함하는 축전계(120)가 접속된다. 또, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 조작장치(26)는, 레버(26A), 레버(26B), 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A), 레버(26B), 및 페달(26C)은, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 압력센서(29)에 각각 접속된다. 압력센서(29)는, 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 접속되어 있다.
도 2에 나타내는 하이브리드형 쇼벨은 선회기구를 전동으로 한 것으로, 선회기구(2)를 구동하기 위하여 선회용 전동기(21)가 설치되어 있다. 전동작업요소로서의 선회용 전동기(21)는, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)에 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메커니컬브레이크(23), 및 선회변속기(24)가 접속된다. 선회용 전동기(21)와, 인버터(20)와, 리졸버(22)와, 메커니컬브레이크(23)와, 선회변속기(24)로 부하 구동계가 구성된다.
컨트롤러(30)는, 하이브리드형 쇼벨의 구동제어를 행하는 주제어부로서의 제어장치이다. 컨트롤러(30)는, CPU(Central Processing Unit) 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성되며, CPU가 내부메모리에 격납된 구동제어용의 프로그램을 실행함으로써 실현되는 장치이다.
컨트롤러(30)는, 압력센서(29)로부터 공급되는 신호를 속도지령으로 변환하여, 선회용 전동기(21)의 구동제어를 행한다. 압력센서(29)로부터 공급되는 신호는, 선회기구(2)를 선회시키기 위하여 조작장치(26)를 조작한 경우의 조작량을 나타내는 신호에 상당한다.
컨트롤러(30)는, 전동발전기(12)의 운전제어(전동(어시스트)운전 또는 발전운전의 전환)를 행함과 함께, 승강압제어부로서의 승강압컨버터(100)(도 3 참조)를 구동제어함으로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(전동(어시스트)운전 또는 발전운전), 및 선회용 전동기(21)의 운전상태(역행운전 또는 회생운전)에 근거하여, 승강압컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하고, 이로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 또, 컨트롤러(30)는, 축전기 전압검출부에 의하여 검출되는 축전기 전압치에 근거하여, 축전기(커패시터)의 충전율(SOC)을 산출한다.
또, 컨트롤러(30)는, 제어신호라인(32)에 의하여 인버터(20)에 접속되어 있으며, 제어신호라인(32)을 통하여 제어신호를 송신하여 인버터(20)를 제어한다. 이하에 설명하는 실시형태에서는, 인버터(20)는, 선회용 전동기(21)에 공급하는 구동전류를 제어함과 함께, 메커니컬브레이크(23)의 동작도 제어할 수 있다. 또, 경사센서(50)에 의하여 검출한 경사각도를 나타내는 검출치가 인버터(20)에 공급된다. 경사센서(50)는 쇼벨의 경사각도를 검출하기 위하여 설치된 센서이다. 경사각도가 크면, 상부 선회체(3)를 선회하는 방향이 위를 향하고 있을 때는, 수평일 때보다 큰 선회력이 필요해지고, 선회하는 방향이 아래를 향하고 있을 때는, 수평일 때보다 작은 선회력이어도 된다.
또한, 리졸버(22)는 선회용 전동기(21)의 회전수(회전속도)를 검출하고, 검출치를 컨트롤러(30)에 보냄과 함께, 인버터(20)에도 송신한다. 따라서, 인버터(20)는, 리졸버(22)로부터의 검출치에 근거하여 상부 선회체(3)의 선회속도를 구할 수 있다.
도 3은, 축전계(120)의 회로도이다. 축전계(120)는, 축전기로서의 커패시터(19)와, 승강압컨버터와 DC버스(110)를 포함한다. DC버스(110)는, 커패시터(19), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21)의 사이에서의 전력의 수수(授受)를 제어한다. 커패시터(19)에는, 커패시터 전압치를 검출하기 위한 커패시터 전압검출부(112)와, 커패시터 전류치를 검출하기 위한 커패시터 전류검출부(113)가 설치되어 있다. 커패시터 전압검출부(112)와 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치와 커패시터 전류치는, 컨트롤러(30)에 공급된다.
승강압컨버터(100)는, 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21)의 운전상태에 따라, DC버스 전압치를 일정한 범위 내에 들어가도록 승압동작과 강압동작을 전환하는 제어를 행한다. DC버스(110)는, 인버터(18A 및 20)와 승강압컨버터(100)와의 사이에 배치되어 있으며, 커패시터(19), 전동발전기(12), 발전기(300), 및 선회용 전동기(21)의 사이에서의 전력의 수수를 행한다.
승강압컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스 전압검출부(111)에 의하여 검출되는 DC버스 전압치, 커패시터 전압검출부(112)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치, 및 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전류치에 근거하여 행해진다.
이상과 같은 구성에 있어서, 어시스트 모터인 전동발전기(12)가 발전한 전력은, 인버터(18A)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 선회용 전동기(21)가 회생운전하여 생성한 회생전력은, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다.
승강압컨버터(100)는, 리액터(101), 승압용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(102A), 강압용 IGBT(102B), 커패시터(19)를 접속하기 위한 전원접속단자(104), 인버터(105)를 접속하기 위한 출력단자(106), 및, 한 쌍의 출력단자(106)에 병렬로 삽입되는 평활용 콘덴서(107)를 구비한다. 승강압컨버터(100)의 출력단자(106)와 인버터(18A, 20)와의 사이는, DC버스(110)에 의하여 접속된다.
리액터(101)의 일단은 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 중간점에 접속되고, 타단은 전원접속단자(104)에 접속된다. 리액터(101)는, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 따라 발생하는 유도 기전력을 DC버스(110)에 공급하기 위하여 설치되어 있다.
승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 게이트부에 장착한 바이폴러트랜지스터로 구성되어, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체소자(스위칭소자)이다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는, 컨트롤러(30)에 의하여, 게이트단자에 PWM 전압이 인가됨으로써 구동된다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)에는, 정류소자인 다이오드(102a 및 102b)가 병렬접속된다.
커패시터(19)는, 승강압컨버터(100)를 통하여 DC버스(110)와의 사이에서 전력의 수수를 행할 수 있도록, 충방전 가능한 축전기이면 된다. 다만, 도 4에는, 축전기로서 커패시터(19)를 나타내지만, 커패시터(19) 대신에, 리튬이온전지 등의 충방전 가능한 이차전지, 리튬이온커패시터, 또는, 전력의 수수가 가능한 그 외의 형태의 전원을 이용하여도 된다.
전원접속단자(104) 및 출력단자(106)는, 커패시터(19) 및 인버터(18A, 20)가 접속 가능한 단자이면 된다. 한 쌍의 전원접속단자(104)의 사이에는, 커패시터 전압을 검출하는 커패시터 전압검출부(112)가 접속된다. 한 쌍의 출력단자(106)의 사이에는, DC버스 전압을 검출하는 DC버스 전압검출부(111)가 접속된다.
커패시터 전압검출부(112)는, 커패시터(19)의 전압치(Vcap)를 검출한다. DC버스 전압검출부(111)는, DC버스(110)의 전압치(Vdc)를 검출한다. 평활용 콘덴서(107)는, 출력단자(106)의 정극단자와 부극단자와의 사이에 삽입되어, DC버스 전압을 평활화하기 위한 축전소자이다. 이 평활용 콘덴서(107)에 의하여, DC버스(110)의 전압은 미리 정해진 전압으로 유지되고 있다.
커패시터 전류검출부(113)는, 커패시터(19)의 정극단자(P단자)측에 있어서 커패시터(19)에 흐르는 전류의 값을 검출하는 검출수단이며, 전류검출용의 저항기를 포함한다. 즉, 커패시터 전류검출부(113)는, 커패시터(19)의 정극단자에 흐르는 전류치(I1)를 검출한다. 한편, 커패시터 전류검출부(117)는, 커패시터의 부극단자(N단자)측에 있어서 커패시터(19)에 흐르는 전류의 값을 검출하는 검출수단이며, 전류검출용의 저항기를 포함한다. 즉, 커패시터 전류검출부(117)는, 커패시터(19)의 부극단자에 흐르는 전류치(I2)를 검출한다.
승강압컨버터(100)에 있어서, DC버스(110)를 승압할 때에는, 승압용 IGBT(102A)의 게이트단자에 PWM 전압이 인가되어, 강압용 IGBT(102B)에 병렬로 접속된 다이오드(102b)를 통하여, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 따라 리액터(101)에 발생하는 유도 기전력이 DC버스(110)에 공급된다. 이로써, DC버스(110)가 승압된다.
DC버스(110)를 강압할 때에는, 강압용 IGBT(102B)의 게이트단자에 PWM 전압이 인가되어, 강압용 IGBT(102B), 인버터(105)를 통하여 공급되는 회생전력이 DC버스(110)로부터 커패시터(19)에 공급된다. 이로써, DC버스(110)에 축적된 전력이 커패시터(19)에 충전되어, DC버스(110)가 강압된다.
본 실시형태에서는, 커패시터(19)의 정극단자를 승강압컨버터(100)의 전원접속단자(104)에 접속하는 전원라인(114)에, 당해 전원라인(114)을 차단할 수 있는 차단기로서 릴레이(130-1, 130-2)가 설치된다. 릴레이(130-1)는, 전원라인(114)으로의 커패시터 전압검출부(112)의 접속점(115)과 커패시터(19)의 정극단자의 사이에 배치되어 있다. 릴레이(130-1)는 컨트롤러(30)로부터의 신호에 의하여 작동되고, 커패시터(19)로부터의 전원라인(114)을 차단함으로써, 커패시터(19)를 승강압컨버터(100)로부터 분리할 수 있다.
또, 커패시터(19)의 부극단자를 승강압컨버터(100)의 전원접속단자(104)에 접속하는 전원라인(117)에, 당해 전원라인(117)을 차단할 수 있는 차단기로서 릴레이(130-2)가 설치된다. 릴레이(130-2)는, 전원라인(117)으로의 커패시터 전압검출부(112)의 접속점(118)과 커패시터(19)의 부극단자의 사이에 배치되어 있다. 릴레이(130-2)는 컨트롤러(30)로부터의 신호에 의하여 작동되고, 커패시터(19)로부터의 전원라인(117)을 차단함으로써, 커패시터(19)를 승강압컨버터(100)로부터 분리할 수 있다. 다만, 릴레이(130-1)와 릴레이(130-2)를 하나의 릴레이로 하여 정극단자측의 전원라인(114)과 부극단자측의 전원라인(117)의 양방을 동시에 차단하여 커패시터를 분리하는 것으로 하여도 된다.
다만, 실제로는, 컨트롤러(30)와 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)와의 사이에는, 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)를 구동하는 PWM 신호를 생성하는 구동부가 존재하지만, 도 3에서는 생략한다. 이러한 구동부는, 전자회로 또는 연산처리장치 중 어느 것에서도 실현할 수 있다.
이상과 같은 구성의 쇼벨에 있어서, 컨트롤러(30)에 이상이 발생한 경우, 컨트롤러(30)에서의 제어를 정지하게 되어, 쇼벨 전체의 동작이 정지하는 경우가 있다. 이 때, 선회용 전동기(21)의 제어도 행해지지 않기 때문에, 선회용 전동기(21)는 정지한 상태가 되어, 상부 선회체(3)를 선회시킬 수 없게 된다. 또, 컨트롤러(30)와 인버터(20)와의 사이의 통신제어라인(32)에 이상이 발생한 경우도 마찬가지로, 선회용 전동기(21)의 제어를 행하지 못하여, 상부 선회체(3)를 선회시킬 수 없게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태에서는, 상술과 같은 이상이 발생한 비상시라도, 통상의 제어와는 다른 제어로 전환하여 선회용 전동기(21)를 구동함으로써, 상부 선회체(3)를 원하는 위치까지 선회시킨다. 이것을 실현하기 위하여, 선회용 전동기(21)의 구동을 제어하는 인버터(20)를 컨트롤러(30)로부터 분리한 후에, 인버터(20)를 제어할 필요가 있다.
본 실시형태에서는, 쇼벨의 운정자 등이 조작할 수 있는 비상시 조작부(40)가, 예를 들면 캐빈(10) 내에 설치된다. 비상시 조작부(40)는, 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 신호를 인버터(20)에 공급하기 위하여 운정자 등이 조작하는 몇 개의 스위치를 가지고 있다.
도 4는 비상시 조작부(40)의 일례를 나타내는 평면도이다. 도 4에 나타내는 비상시 조작부(40)는, ON-OFF스위치(42a)와, 선회방향 전환스위치(42b)와, 가감속 전환스위치(42c)를 가진다.
ON-OFF스위치(42a)는 통상은 OFF로 되어 있으며, 컨트롤러(30)가 인버터(20)를 제어할 수 없게 되었을 때와 같은 비상시에 운정자 등이 조작함으로써 ON이 된다. ON-OFF스위치(42a)가 ON이 되면, 비상시 제어신호가 인버터(20)에 공급된다. 이로써 인버터(20)와 컨트롤러(30)와의 통신이 차단되고, 또한 비상시 조작부(40)로부터의 신호로 인버터(20)가 제어되는 상태로 설정된다.
선회방향 전환스위치(42b)는, 선회용 전동기(21)의 선회방향을 지시하기 위한 스위치이다. 선회방향 전환스위치(42b)가 “좌”로 조작되면, 상부 선회체(3)가 운전자로부터 보아 좌측방향으로 선회하도록 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 지령신호가 인버터(20)에 송신된다. 이 지령신호에 근거하여, 인버터(20)는, 소정의 구동전류를 선회용 전동기(21)에 공급한다. 한편, 선회방향 전환스위치(42b)가 “우”로 조작되면, 상부 선회체(3)가 운전자로부터 보아 우측방향으로 선회하도록 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 지령신호가 인버터(20)에 송신된다. 이 지령신호에 근거하여, 인버터(20)는, 소정의 구동전류를 선회용 전동기(21)에 공급한다.
가감속 전환스위치(42c)는, 선회용 전동기(21)를 가속하기 위한 지령신호, 등속으로 하기 위한 지령신호, 감속하기 위한 지령신호를 선택적으로 인버터(20)에 공급하기 위한 스위치이다. 가감속 전환스위치(42c)가 “가속”의 위치로 조작되면, 선회용 전동기(21)를 가속하기 위한 지령신호가 인버터(20)에 송신된다. 이 지령신호에 근거하여, 인버터(20)는 선회용 전동기(21)에 공급하고 있는 구동전류를 증대하여 선회용 전동기(21)를 가속시킨다. 가감속 전환스위치(42c)가 “중립”의 위치로 조작되면, 선회용 전동기(21)가 무부하로 운전(구동출력이 제로)하도록 지령신호가 인버터(20)로 송신된다. 이 지령신호에 근거하여, 인버터(20)는 선회용 전동기(21)에 공급하고 있는 구동전류를 제로로 한다. 상부 선회체(3)는 각 부의 마찰저항에 의하여, 점차 감속한다. 가감속 전환스위치(42c)가 “감속”의 위치로 조작되면, 선회용 전동기(21)를 감속하기 위한 지령신호가 인버터(20)에 송신된다. 이 지령신호에 근거하여, 인버터(20)는 선회용 전동기(21)를 발전기로서 구동시키고, 회생 브레이크에 의하여 감속시킨다.
이상과 같이, 컨트롤러(30)에 이상이 발생하여 선회용 전동기(21)를 제어할 수 없는 상황이어도, 비상시 조작부(40)의 ON-OFF스위치(42a), 선회방향 전환스위치(42b), 및 가감속 전환스위치(42c)를 적절히 조작함으로써, 선회용 전동기(21)를 구동하여 상부 선회체(3)를 선회시킬 수 있다.
비상시 조작부(40)의 스위치는, 도 4에 나타내는 스위치에 한정되지 않고, 다양한 형태의 스위치를 이용할 수 있다. 도 5는 비상시 조작부(40)의 다른 예를 나타내는 평면도이다. 도 5에 나타내는 비상시 조작부(40)는, 상술의 ON-OFF스위치(42a) 외에, 구동스위치(42d)가 설치되어 있다.
구동스위치(42d)는, “좌”, “중립”, “우”의 3개의 위치로 선택적으로 조작할 수 있는 스위치이다. 구동스위치(42d)가 “좌”의 위치로 조작되면, 상부 선회체(3)가 운전자로부터 보아 좌측방향으로 선회하도록 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 지령신호가 인버터(20)에 송신된다. 구동스위치(42d)가 “중립”의 위치로 조작되면, 상부 선회체(3)가 정지하도록 선회용 전동기(21)를 정지시키기 위한 지령신호가 인버터(20)에 송신된다. 구동스위치(42d)가 “우”의 위치로 조작되면, 상부 선회체(3)가 운전자로부터 보아 우측방향으로 선회하도록 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 지령신호가 인버터(20)에 송신된다. 구동스위치(42d)는, “중립”을 사이에 두고 좌우의 방향으로 가압 조작하도록 설정되어 있다. 즉, 구동스위치(42c)의 조작은, 통상시에 선회 조작을 행하는 조작레버에 의한 조작과 동일한 조작이며, 운전자가 조작하기 쉽게 되어 있다.
여기에서, 컨트롤러(30)와 인버터(20)와의 사이의 통신제어라인(32)에 이상이 발생한 경우에는, 컨트롤러(30)는 정상적인 제어를 행할 수 있다. 이로 인하여, 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 전력은, 커패시터(19)와 전동발전기(12)의 양방으로부터 공급할 수 있다. 또, 컨트롤러(30)에 이상이 발생한 경우이더라도, 적어도 ECU(11b)에는 이상이 발생하고 있지 않기 때문에, 엔진(11)의 동력에 의하여 전동발전기(12)를 발전운전시킬 수 있다. 이로 인하여, 선회용 전동기(21)를 구동하기 위한 전력은, 적어도 전동발전기(12)로부터 공급할 수 있다.
다음으로, 비상시 조작부(40)를 조작하여 상부 선회체(3)를 선회시키는 일례에 있어서의 제어요소의 변화에 대하여 설명한다. 도 6은 비상시 조작부(40)를 조작하여 상부 선회체(3)를 선회시킬 때의 각 제어요소의 변화를 나타내는 타임차트이다. 도 6에 나타내는 예는, 도 4에 나타내는 비상시 조작부(40)를 사용하였을 때의 예이다.
도 6-(a)는, 비상시 조작부(40)의 가감속 전환스위치(42c)로부터 출력되는 제어신호의 변화를 나타내는 그래프이다. 가감속 전환스위치(42c)로부터는, 가속신호와 중립신호와 감속신호가 출력되어, 인버터(20)에 입력된다.
도 6-(b)는 인버터(20)가 생성하여 메커니컬브레이크(23)에 출력되는 파킹브레이크신호의 변화를 나타내는 그래프이다. 파킹브레이크신호가 ON이 되면 메커니컬브레이크(23)는 선회용 전동기(21)에 기계적으로 브레이크를 걸어 선회용 전동기(21)를 고정함으로써, 상부 선회체(3)의 선회위치를 고정한다.
도 6-(c)는 상부 선회체(3)의 선회속도의 변화를 나타내는 그래프이다. 상부 선회체(3)의 선회속도는, 리졸버(22)로 검출하는 선회용 전동기의 회전수(회전속도)에 비례하므로, 선회속도 대신에 리졸버(22)로 검출한 선회용 전동기의 회전수를 그대로 이용하여도 된다.
도 6-(d)는 인버터(20)에서 생성되는 선회토크 지령치의 변화를 나타내는 그래프이다. 선회토크 지령치에 근거하여, 선회용 전동기(21)에 공급되는 구동전류의 값이 결정되고, 결정된 구동전류가 인버터(20)로부터 선회용 전동기(21)에 공급된다.
비상시 조작부(40)를 조작하여 상부 선회체(3)를 선회시키려면, 먼저, ON-OFF스위치(42a)를 조작하여 ON신호를 인버터(20)에 송신한다. 이로써, 인버터(20)는 컨트롤러(30)와의 사이의 통신을 차단하고, 비상시 조작부(40)로부터의 제어신호로 인버터(20)를 제어할 수 있는 상태로 설정한다.
그 후, 도 6-(a)에 나타내는 바와 같이, 시각 t1에 있어서, 가감속 전환스위치(42c)로부터 출력되는 가속신호가 ON이 된다. 가속신호가 ON이 되면, 인버터(20)는, 파킹브레이크신호를 OFF로 하여 메커니컬브레이크(23)에 의한 브레이크를 해제한다. 시각 t1에 있어서 가속신호가 ON이 되면, 인버터(20)는 미리 설정된 선회토크 지령치(정의 값)를 생성하고, 생성된 선회토크 지령치에 따른 구동전류를 선회용 전동기(21)에 공급한다. 선회토크 지령치는 미리 설정된 값으로 유지된다. 따라서, 선회용 전동기(21)는 미리 설정된 선회토크 지령치에 따른 구동전류로 구동되어, 회전속도는 상승해 간다.
도 6-(d)에 나타내는 바와 같이, 상부 선회체(3)의 선회속도에는 속도리밋(속도 상한치)이 설정되어 있으며, 선회속도가 속도리밋에 도달하면, 그 이상 선회속도가 상승하지 않도록, 선회토크 지령치가 저감된다. 즉, 비상시에는 상부 선회체(3)를 급격하게 선회시키면 위험하므로, 상부 선회체(3)가 저속으로 선회하도록 선회속도에 리밋을 걸고 있다. 따라서, 시각 t2에 있어서 선회속도가 속도리밋에 도달하면, 선회토크 지령치는 저감되어, 선회속도는 속도리밋보다 커지지 않도록 유지된다.
계속해서, 운전자가 가감속 전환스위치(42c)를 가속위치로부터 중립위치로 조작하면, 시각 t3에 있어서 가속신호가 OFF가 되고, 중립신호가 ON이 된다. 중립신호가 ON이 되면, 선회토크 지령치는 제로가 되어, 선회용 전동기(21)로의 구동전류는 제로가 된다. 따라서, 선회용 전동기(21)는 타성(惰性)으로 회전하고, 상부 선회체(3)도 관성력으로만 선회하게 되어, 점차 선회속도는 감소해 간다.
계속해서, 운전자가 가감속 전환스위치(42c)를 중립위치로부터 감속위치로 조작하면, 시각 t4에 있어서 중립신호가 OFF가 되고, 감속신호가 ON이 된다. 감속신호가 ON이 되면, 인버터(20)는 선회 토크지령(부의 값)을 생성하고, 생성된 선회토크 지령치에 따른 구동전류를 선회용 전동기(21)에 공급한다. 이 때의 구동전류는 선회용 전동기를 반대방향으로 회전시키는 방향이다. 따라서, 선회용 전동기(21)는 미리 설정된 선회토크 지령치에 따른 구동전류로 감속방향으로 구동되어, 회전속도는 저하되어 가므로, 상부 선회체(3)의 선회속도도 점차 저감되어 간다.
그리고, 상부 선회체(3)의 선회속도가 제로가 되어 정지하면, 운전자는 가감속 전환스위치(42c)를 감속위치로부터 중립위치로 조작한다. 이로써, 감속신호는 OFF가 되고, 중립신호가 ON이 된다. 중립신호가 ON이 되므로, 선회토크 지령치는 제로가 되어, 상부 선회체(3)는 정지상태로 유지된다.
중립신호가 ON이 된 상태에서, 선회속도가 대략 제로의 상태가 소정시간 계속되면, 시각 t6에 있어서, 인버터(20)는 파킹브레이크신호를 ON으로 한다. 이로써, 메커니컬브레이크(23)는 선회용 전동기(21)에 브레이크를 걸어, 상부 선회체(3)는 정지한 위치에 고정된다.
이상의 동작에 의하여, 운전자는, 비상시 조작부(40)를 조작하여, 상부 선회체(3)를 원하는 방향으로 선회시켜 원하는 선회위치에 정지시킬 수 있다. 따라서, 컨트롤러(30)의 이상이나 통신제어라인(32)의 이상에 의하여, 상부 선회체(3)를 제어할 수 없는 상태가 되어도, 운전자가 비상시 조작부(40)를 조작함으로써, 상부 선회체(3)를 원하는 방향으로 선회시켜 원하는 선회위치에 정지시킬 수 있다. 또, 이 상태는, 엔진컨트롤유닛(ECU: Engine Control Unit)에는 이상이 발생하고 있지 않기 때문에, 엔진(11)의 동력에 의하여 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용))를 구동시키는 것이 가능한 상태이다. 이로 인하여, 오퍼레이터는, 비상시 조작부(40)를 조작하여 상부 선회체(3)의 방향을 소정의 방향으로 향하게 한 후, 조작장치(26)를 조작하여 쇼벨을 소정의 장소까지 이동시킬 수 있다.
다음으로, 비상시 조작부(40)를 조작하여 상부 선회체(3)를 선회시키는 다른 예에 있어서의 제어요소의 변화에 대하여 설명한다. 도 7은 비상시 조작부(40)를 조작하여 상부 선회체(3)를 선회시킬 때의 각 제어요소의 변화를 나타내는 타임차트이다. 도 7에 나타내는 예는, 도 4에 나타내는 비상시 조작부(40)를 사용하였을 때의 예이다.
도 7(a)는, 비상시 조작부(40)의 가감속 전환스위치(42c)로부터 출력되는 제어신호의 변화를 나타내는 그래프이다. 가감속 전환스위치(42c)로부터는, 가속신호와 중립신호와 감속신호가 출력되어, 인버터(20)에 입력된다.
도 7(b)는 인버터(20)가 생성하여 메커니컬브레이크(23)에 출력되는 파킹브레이크신호의 변화를 나타내는 그래프이다. 파킹브레이크신호가 ON이 되면 메커니컬브레이크(23)는 선회용 전동기(21)에 기계적으로 브레이크를 걸어 선회용 전동기(21)를 고정함으로써, 상부 선회체(3)의 선회위치를 고정한다.
도 7(c)는 상부 선회체(3)의 선회속도의 변화를 나타내는 그래프이다. 상부 선회체(3)의 선회속도는, 리졸버(22)로 검출하는 선회용 전동기의 회전수(회전속도)에 비례하므로, 선회속도 대신에 리졸버(22)로 검출한 선회용 전동기의 회전수를 그대로 이용하여도 된다. 도 7(c)에는, 선회속도 지령치가 점선으로 나타나고, 그에 대한 실제의 선회속도 검출치가 실선으로 나타나 있다.
도 7(d)는 인버터(20)에서 생성되는 선회토크 지령치를 제한하는 선회 제한토크값의 변화를 나타내는 그래프이다. 선회토크 지령치는 속도편차에 따라 선회 제한토크값을 넘지 않도록 설정된다. 이와 같이 인버터(20)에서 생성되는 선회토크 지령치에 근거하여, 선회용 전동기(21)에 공급되는 구동전류의 값이 결정되고, 결정된 구동전류가 인버터(20)로부터 선회용 전동기(21)에 공급된다.
비상시 조작부(40)를 조작하여 상부 선회체(3)를 선회시키려면, 먼저, ON-OFF스위치(42a)를 조작하여 ON신호를 인버터(20)에 송신한다. 이로써, 인버터(20)는 컨트롤러(30)와의 사이의 통신을 차단하고, 비상시 조작부(40)로부터의 제어신호로 인버터(20)를 제어할 수 있는 상태로 설정한다.
그 후, 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 시각 t1에 있어서, 가감속 전환스위치(42c)로부터 출력되는 가속신호가 ON이 된다. 가속신호가 ON이 되면, 인버터(20)는, 파킹브레이크신호를 OFF로 하여 메커니컬브레이크(23)에 의한 브레이크를 해제한다. 시각 t1에 있어서 가속신호가 ON이 되면, 인버터(20)는, 미리 설정되어 있는 시간-속도의 패턴에 근거하여 선회토크 지령치(정의 값)를 생성하고, 생성된 선회토크 지령치에 따른 구동전류를 선회용 전동기(21)에 공급한다. 이 때, 선회토크 지령치는 미리 설정된 선회 제한토크값(T1)을 넘지 않도록 설정된다. 선회용 전동기(21)는 미리 설정된 선회토크 지령치에 따른 구동전류로 구동되어, 회전속도는 상승해 간다.
도 7(d)에 나타내는 바와 같이, 선회속도 지령치에 대하여 선회속도 검출치는 늦게 변화한다. 선회토크 지령치는, 선회속도 지령치에 대하여 선회속도 검출치와의 편차에 근거하여 생성되고, 선회 제한토크값(T1)에 의하여 제한이 가해진다. 상부 선회체(3)의 선회 가속도가 너무 크면 위험하기 때문에, 저속으로 선회시키기 위하여, 선회토크 지령치에 제한을 가하고 있다.
계속해서, 운전자가 가감속 전환스위치(42c)를 가속위치로부터 중립위치로 조작하면, 시각 t2에 있어서 가속신호가 OFF가 되고, 중립신호가 ON이 된다. 중립신호가 ON이 되면, 선회토크 지령치는 제로가 되어, 선회용 전동기(21)로의 구동전류는 제로가 된다. 따라서, 선회용 전동기(21)는 타성으로 회전하고, 상부 선회체(3)도 관성력으로만 선회하게 되어, 점차 선회속도는 감소해 간다.
시각 t2에 있어서 가속신호가 OFF가 되면, 도 7(d)에 나타내는 바와 같이, 선회 제한토크값은, 부의 값(-T2)으로 설정된다. 중립신호가 ON이 되어도, 선회토크 지령치는 선회속도 지령치와 선회속도 검출치와의 편차에 근거하여 생성되므로, 선회토크 지령치가 부의 값이 되는 경우가 있으며, 이 때의 선회토크 지령치에 리밋을 두기 위하여, 선회 제한토크값을 -T2로 설정한다.
계속해서, 운전자가 가감속 전환스위치(42c)를 중립위치로부터 감속위치로 조작하면, 시각 t3에 있어서 중립신호가 OFF가 되고, 감속신호가 ON이 된다. 감속신호가 ON이 되면, 인버터(20)는 선회 토크지령(부의 값)을 생성하고, 생성된 선회토크 지령치에 따른 구동전류를 선회용 전동기(21)에 공급한다. 이 때의 구동전류는 선회용 전동기를 반대방향으로 회전시키는 방향이다. 따라서, 선회용 전동기(21)는, 선회속도 지령치와 선회속도 검출치와의 편차에 근거하여 결정된 선회토크 지령치에 따른 구동전류로 감속방향으로 구동되어, 회전속도는 저하되어 가므로, 상부 선회체(3)의 선회속도도 점차 저감되어 간다. 이 때, 선회토크 지령치를 제한하는 선회 제한토크값은, 부의 값(-T3)으로 설정된다. 감속 중의 선회 제한토크값(-T3)의 절대치는, 가속 중의 선회 제한토크값(T1)의 절대치보다 크게 설정하는 것이 바람직하다. 상부 선회체(3)를 감속할 때는 가속할 때보다 급감시켜도 되기 때문이다.
그리고, 상부 선회체(3)의 선회속도가 제로가 되어 정지되면, 운전자는 가감속 전환스위치(42c)를 감속위치로부터 중립위치로 조작한다. 이로써, 감속신호는 OFF가 되고, 중립신호가 ON이 된다. 중립신호가 ON이 되므로, 선회토크 지령치는 제로가 되며, 제로인 상태가 되어, 상부 선회체(3)는 정지상태로 유지된다.
중립신호가 ON이 된 상태로, 선회속도가 대략 제로인 상태가 소정시간 계속되면, 시각 t5에 있어서, 인버터(20)는 파킹브레이크신호를 ON으로 한다. 이로써, 메커니컬브레이크(23)는 선회용 전동기(21)에 브레이크를 걸어, 상부 선회체(3)는 정지한 위치에 고정된다.
여기에서, 상술의 선회 제한토크값의 변화의 패턴(가속시는 T1, 중립시는 -T2, 감속시는 -T3이라는 패턴)은, 미리 맵정보로서 인버터(20)에 설치된 메모리(20a)에 격납되어 있다. 인버터(20)는, 비상시 조작부(40)로부터의 제어신호에 근거하여, 메모리(20a)에 격납되어 있는 맵정보를 참조하면서 선회토크 지령치를 결정한다. 혹은, 맵정보를 비상시 조작부(40)에 설치된 메모리(40a)에 격납해 두고, 제어신호와 함께 맵정보를 인버터(20)에 송신하는 것으로 하여도 된다.
여기에서, 쇼벨 자체가 경사진 곳에 정지하고 있을 때에는, 상부 선회체(3)의 선회면도 경사지므로, 상부 선회체(3)를 선회시키는 방향에 따라 선회력을 변경하는 것이 바람직하다. 즉, 쇼벨이 경사져 있을 때에, 상부 선회체(3)에 장착된 붐(4)을 높은 위치로 들어 올리는 방향으로 선회하는 경우에는, 평지일 때보다 큰 선회력이 필요하고, 반대로 붐(4)을 낮은 위치로 내리는 방향으로 선회하는 경우에는, 평지일 때보다 작은 선회력이어도 된다. 따라서, 도 7에 나타내는 예의 경우로 생각하면, 선회토크 지령치를 제한하기 위한 선회 제한토크값은, 쇼벨의 경사각도에 따라 변경하는 것이 바람직하다.
따라서, 도 8에 나타내는 예에서는, 쇼벨의 경사각도에 따라 선회 제한토크값을 변경하고 있다. 다만, 도 8-(a), (b), (c)에 나타내는 그래프는, 도 7-(a), (b), (c)에 나타내는 그래프와 동일하며, 그 설명은 생략한다. 도 8-(d)에 나타내는 바와 같이, 쇼벨의 경사각도가 클 때에, 선회방향이 붐(4)을 높은 위치로 들어 올리는 방향인 경우는, 선회 제한토크값을 T1보다 크게 하여 보다 강하게 가속할 수 있도록 한다. 또, 쇼벨의 경사각도가 클 때에, 선회방향이 붐(4)을 낮은 위치로 내리는 방향인 경우는, 선회 제한토크값의 절대치를 -T2 및 -T3의 절대치보다 크게 하여 보다 크게 감속할 수 있도록 한다.
이러한 선회 제한토크값의 변경을 가능하게 하기 위하여, 쇼벨의 경사각도에 따라 복수의 맵정보를 준비하여 상술의 메모리(40a) 또는 메모리(20a)에 격납해 둔다. 인버터(20)는, 경사센서(50)로부터의 경사각도 정보에 근거하여, 경사각도에 대응하는 맵정보를 참조하여, 선회 제한토크값을 결정한다.
본 명세서에서는 하이브리드식 쇼벨의 실시형태에 의하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 구체적으로 개시된 상술의 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이, 다양한 변형예 및 개량예가 이루어 질 것이다.
본 출원은, 2011년 8월 9일 출원된 우선권 주장 일본 특허출원 제2011-174400호에 근거하는 것이며, 그 전체 내용은 본 출원에 원용된다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 건설기계 등에 설치된 선회체를 구동하는 선회 구동장치에 적용 가능하다.
1: 하부 주행체 1A, 1B: 유압모터
2: 선회기구 3: 상부 선회체
4: 붐 5: 암
6: 버킷 7: 붐실린더
8: 암실린더 9: 버킷실린더
10: 캐빈 11: 엔진
11a: 엔진회전수 검출기 11b: 엔진컨트롤유닛
12: 전동발전기 13: 변속기
14: 메인펌프 15: 파일럿펌프
16: 고압유압라인 17: 컨트롤밸브
18A, 20: 인버터 19: 커패시터
20a: 메모리 21: 선회용 전동기
22: 리졸버 23: 메커니컬브레이크
24: 선회변속기 25: 파일럿라인
26: 조작장치 26A, 26B: 레버
26C: 페달 26D: 버튼스위치
27: 유압라인 28: 유압라인
29: 압력센서 30: 컨트롤러
32: 제어신호라인 40: 비상시 조작부
40a: 메모리 42a: ON-OFF 스위치
42b: 선회방향 전환스위치 42c: 가감속 전환스위치
42d: 구동스위치 50: 경사센서
100: 승강압컨버터 110: DC버스
111: DC버스 전압검출부 112: 커패시터 전압검출부
113, 116: 커패시터 전류검출부 114, 117: 전원라인
115, 118: 접속점 120: 축전계
120A: 컨버터 130-1, 130-2: 릴레이

Claims (5)

  1. 엔진의 동력을 전력으로 변환하고, 변환된 전력에 의하여 선회체를 회전운동 시키는 선회 구동장치로서,
    전기에너지를 축전하는 축전장치와,
    축전장치로부터의 전력으로 구동되어 선회체를 구동하는 선회용 전동기와,
    상기 선회용 전동기의 구동을 제어하는 인버터와,
    제어신호라인을 통하여 상기 인버터에 접속된 컨트롤러와,
    상기 선회용 전동기의 제어에 이상이 발생하였을 때에 상기 인버터에 지령을 주는 비상시 조작부를 가지고,
    상기 인버터는, 상기 비상시 조작부로부터의 신호에 근거하여, 상기 제어신호라인을 차단하고, 또한 상기 선회용 전동기의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 선회 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비상시 조작부 또는 상기 인버터는, 상기 선회용 전동기에 공급하는 전류치를 결정하는 맵이 격납된 기억부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 선회 구동장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 선회용 전동기에 기계적으로 브레이크를 거는 메커니컬브레이크를 더욱 가지고,
    상기 메커니컬브레이크는 상기 비상시 조작부에 근거하여 동작이 제어되는 것을 특징으로 하는 선회 구동장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기억부는, 경사센서에 의하여 검출된 경사각도에 따른 전류치를 결정하기 위하여, 복수의 상기 맵을 격납하고 있는 것을 특징으로 하는 선회 구동장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비상시 조작부는, 좌선회 및 우선회 중 어느 일방을 선택하는 선택버튼을 가지는 것을 특징으로 하는 선회 구동장치.
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