KR20140043076A

KR20140043076A - 건설 기계

Info

Publication number: KR20140043076A
Application number: KR1020137030654A
Authority: KR
Inventors: 다카시 오가와; 고헤이 사쿠라이; 유이치로 모리타
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2014-04-08
Also published as: JP2013005469A; CN103597736B; US20140184122A1; KR101894616B1; US9621079B2; US20160036358A1; WO2012169413A1; EP2720370A4; EP2720370A1; CN103597736A; JP5595335B2; EP2720370B1

Abstract

선회체(1d)와, 선회체를 구동하는 전동 모터(16)와, 조작 신호를 조작량 및 조작 방향에 따라 출력하는 조작 장치(4b)와, 조작 신호에 기초하여 생성된 제어 신호에 기초하여 전동 모터를 제어하는 인버터 장치(13)와, 전동 모터의 실 속도를 검출하기 위한 위치 센서(24)와, 제어 신호가 규정하는 전동 모터의 목표 속도 V*로부터 실 속도 V를 감한 값의 부호와, 전동 모터의 가속도의 부호가 다른 상태를 제1 조건으로 하고, 목표 속도와 실 속도의 편차가 기준값 Vth보다 크고, 또한, 가속도가 기준값 βth보다 큰 상태를 제2 조건으로 하였을 때, 제1 조건 및 제2 조건 중 적어도 한쪽이 성립하는지의 여부를 판정하는 제2 컨트롤러(22)를 구비한다. 이에 의해 전자 제어계의 이상 판정에 관한 오판정 및 검출 누락의 발생을 제어할 수 있다.

Description

건설 기계 {CONSTRUCTION MACHINE}

선회체를 구동하는 전동 모터를 구비하는 건설 기계에 관한 것이다.

최근, 건설 기계에 있어서는, 유압 셔블의 기술을 기반으로 하여, 엔진의 연비 향상이나 배기 가스량의 저감 등을 목적으로 한 전동화가 진전되어 있다. 이와 같은 건설 기계로서는, 기계 각 부의 구동 액추에이터로서 유압 액추에이터와 전동 모터를 병용하는 동시에, 유압 펌프의 원동기로서 엔진과 전동 모터(발전 전동기)를 병용한 하이브리드 건설 기계가 있다. 하이브리드 건설 기계에서는, 유압 액추에이터(유압 실린더 및 유압 모터)를 구동하여 작업 장치에 의한 작업 동작과 주행체에 의한 주행 동작을 행하고, 전동 모터를 구동하여 선회체(예를 들어, 유압 셔블 등에 있어서의 상부 선회체)의 선회 동작을 행하는 것이 있다.

이러한 종류의 하이브리드 건설 기계의 선회 제어로서는, 오퍼레이터가 선회 조작 레버를 조작하였을 때의 조작량을 전기 신호로 변환하여 컨트롤러(예를 들어, 인버터 장치)에 입력하고, 이 컨트롤러에 의해 전동 모터를 제어하는 것이 있다. 그러나 이 일련의 제어 과정에 있어서, 전동 모터의 상태를 검출하는 센서(예를 들어, 전동 모터의 자극 위치 센서), 컨트롤러 및 전동 모터 등의 전자 제어계에 이상이 발생한 경우에는, 정상적인 선회 제어를 할 수 없어, 오퍼레이터가 의도하지 않는 선회 동작이 행해질 가능성이 있다.

이와 같은 사태를 회피하기 위한 기술로서는, 선회 조작 레버의 조작량에 기초하여 생성된 전동 모터의 속도 지령(목표 속도)과 당해 전동 모터의 실 속도의 편차를 컨트롤러에서 감시하고, 당해 편차가 허용 범위로부터 일탈한 경우를 이상 동작으로 판정하는 것이 있다(일본 특허 출원 공개 제2007-228721호 공보 등 참조).

일본 특허 출원 공개 제2007-228721호 공보

그러나 선회체의 관성이 큰 건설 기계에서는, 속도 지령과 실 속도가 크게 괴리되는 경우가 있으므로, 상기 기술과 같이 속도 지령과 실 속도의 편차의 크기만으로 이상 동작이 발생하였는지의 여부를 판정하면, 문제가 발생하는 경우가 있다. 즉, 당해 편차의 허용 범위를 과소하게 설정하면, 정상 동작임에도 불구하고 이상 동작으로서 오판정되어 작업 효율이 저하될 가능성이 있다. 한편, 당해 허용 범위를 과대하게 설정하면, 이상 동작의 검출 누락이 발생하여 신뢰성이 저하될 가능성이 있다.

본 발명은 이상과 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 전자 제어계의 이상 판정에 관한 오판정 및 검출 누락의 발생을 억제할 수 있는 건설 기계를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해, 선회체와, 상기 선회체를 구동하는 전동 모터와, 상기 전동 모터를 조작하기 위한 조작 신호를 조작량 및 조작 방향에 따라 출력하는 조작 장치와, 상기 조작 신호에 기초하여 생성된 제어 신호에 기초하여 상기 전동 모터를 제어하는 제1 제어 수단과, 상기 전동 모터의 실 속도를 검출하는 검출 수단과, 상기 제어 신호가 규정하는 상기 전동 모터의 목표 속도로부터 상기 실 속도를 감한 값의 부호와, 상기 전동 모터의 가속도의 부호가 다른 상태를 제1 조건으로 하고, 상기 목표 속도와 상기 실 속도의 편차가 제1 기준값보다 크고, 또한, 상기 가속도가 제2 기준값보다 큰 상태를 제2 조건으로 하였을 때, 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건 중 적어도 한쪽이 성립하는지의 여부를 판정하는 제2 제어 수단을 구비하는 것으로 한다.

본 발명에 따르면, 전자 제어계의 이상 판정에 관한 오판정 및 검출 누락의 발생을 억제할 수 있으므로, 작업 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 건설 기계 제어 시스템을 구비한 하이브리드 유압 셔블의 외관도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 건설 기계 제어 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 건설 기계 제어 시스템의 구체적인 건설 기계에의 응용예를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 관한 인버터 장치(13) 및 그 주변의 하드웨어 구성의 개략도.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 메인 마이크로컴퓨터(31)의 기능 블록도.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 관한 이상 검출부(65)의 블록도.
도 7a는 속도 지령 V*과 실 속도 V의 관계의 일례를 나타내는 도면.
도 7b는 속도 지령 V*과 실 속도 V의 관계의 일례를 나타내는 도면.
도 7c는 속도 지령 V*과 실 속도 V의 관계의 일례를 나타내는 도면.
도 7d는 속도 지령 V*과 실 속도 V의 관계의 일례를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다. 또한, 각 도면에서는, 이하에 설명하는 제1 컨트롤러, 제2 컨트롤러, 제1 유압 센서 및 제2 유압 센서는, 각각, 컨트롤러(1), 컨트롤러(2), 유압 센서(1) 및 유압 센서(2)로 표기하는 경우가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 건설 기계 제어 시스템을 구비한 하이브리드 유압 셔블의 외관도이다. 이 도면에 도시하는 유압 셔블은, 붐(1a), 아암(1b) 및 버킷(1c)을 갖는 다관절형의 작업 장치(1A)와, 상부 선회체(1d) 및 하부 주행체(1e)를 갖는 차체(1B)를 구비하고 있다.

붐(1a)은, 상부 선회체(1d)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 유압 실린더(붐 실린더)(3a)에 의해 구동된다. 아암(1b)은, 붐(1a)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 유압 실린더(아암 실린더)(3b)에 의해 구동된다. 버킷(1c)은, 아암(1b)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 유압 실린더(버킷 실린더)(3c)에 의해 구동된다. 상부 선회체(1d)는 전동 모터(선회 모터)(16)(도 3 참조)에 의해 선회 구동되고, 하부 주행체(1e)는 좌우의 주행 모터(유압 모터)(3e, 3f)(도 3 참조)에 의해 구동된다. 유압 실린더(3a), 유압 실린더(3b), 유압 실린더(3c) 및 전동 모터(16)의 구동은, 상부 선회체(1d)의 운전실(캡) 내에 설치되고 유압 조작 신호를 출력하는 조작 장치(4a, 4b)(도 3 참조)에 의해 제어된다.

도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 건설 기계 제어 시스템의 구성도이다. 이 도면에 도시하는 시스템은, 상부 선회체(1d)를 구동하는 전동 모터(16)와, 전동 모터(16)의 회전 위치를 검출하기 위한 위치 센서(예를 들어, 자극 위치 센서)(24)와, 상부 선회체(1d)의 선회 동작을 조작하기 위해 유압 조작 신호(파일럿압)를 그 조작량 및 조작 방향에 따라 출력하는 조작 장치(선회 조작 레버)(4b)와, 조작 장치(4b)로부터 출력되는 유압 조작 신호의 압력을 검출하고, 그 압력에 따른 전기 조작 신호를 출력하는 제1 유압 센서(20) 및 제2 유압 센서(21)와, 제1 유압 센서(20)로부터 출력되는 전기 조작 신호 및 전동 모터(16)의 실 속도 V[예를 들어, 위치 센서(24)에 의해 검출되는 회전 위치로부터 산출할 수 있음]에 기초하여 전동 모터(16)의 목표 속도 V*을 산출하고, 당해 목표 속도 V*에 따른 제어 신호(속도 지령)를 출력하는 제1 컨트롤러(11)와, 제1 컨트롤러로부터 출력되는 제어 신호(속도 지령)에 기초하여 전동 모터(16)를 제어하는 인버터 장치(전력 변환 장치)(13)와, 제1 컨트롤러(11) 또는 인버터 장치(13)로부터 출력되는 제동 신호에 기초하여 상부 선회체(1d)를 제동하는 선회 비상 브레이크(25)를 구비하고 있다.

인버터 장치(전력 변환 장치)(13)는, 배터리 등의 축전 장치(15)(도 3 참조)에 접속되어 있고, 축전 장치(15)에 충전된 직류 전력을 스위칭에 의해 교류 전력(3상 교류)으로 변환하여 전동 모터(16)에 공급함으로써 전동 모터(16)를 제어하고 있다. 또한, 인버터 장치(13)는, 스위칭 소자[예를 들어, IGBT(절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터)]를 갖는 인버터 회로와, 당해 인버터 회로의 구동 제어를 행하는 드라이버 회로와, 당해 드라이버 회로에 제어 신호(토크 지령)를 출력하여 인버터 회로에 있어서의 스위칭 소자의 온·오프를 제어하는 제2 컨트롤러(제어 회로)(22)를 구비하고 있다. 또한, 각 도면에서는, 인버터 장치(13)에 있어서의 인버터 회로 및 드라이버 회로를 스위칭 소자의 일례인 「IGBT」로 표시하고 있고, 이하에 있어서 IGBT(23)로 표기하는 경우에는 인버터 회로 및 드라이버 회로를 나타내는 것으로 한다.

제1 유압 센서(20) 및 제2 유압 센서(21)는, 후술하는 바와 같이, 상부 선회체(1d)의 좌 선회와 우 선회를 개별적으로 검출하도록 2개의 유압 센서를 1세트로 한 것으로 할 수도 있지만, 도 2에서는 간략하여 1개의 유압 센서로 하여 표기하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 조작 장치(4b)로부터 출력되는 파일럿압(유압 조작 신호)을 유압 센서(20, 21)에 의해 검출하여 전기 신호로 변환하고 있지만, 조작 장치(4b)의 조작 방향 및 조작량에 따른 전기 조작 신호를 직접 출력하는 구성을 채용해도 된다. 이 경우에는, 조작 장치(4b)에 있어서의 조작 레버의 회전 변위를 검출하는 위치 센서(예를 들어, 로터리 인코더)를 이용할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 조작 장치(4b)에 2개의 유압 센서(20, 21)를 구비하고 있지만, 예를 들어 유압 센서와 상기 위치 센서의 조합 등, 검출 방식이 다른 센서를 조합하여 이용할 수도 있다. 이와 같이 하면 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

제1 유압 센서(20)로부터 출력되는 전기 조작 신호는 제1 컨트롤러(11)에 입력되어 있고, 제2 유압 센서(21)로부터 출력되는 전기 조작 신호는 인버터 장치(13)에 설치된 제2 컨트롤러(22)에 입력되어 있다.

제1 컨트롤러(11)는, 제1 유압 센서(20)로부터 출력되는 전기 조작 신호와, 제2 컨트롤러(22)를 통해 입력되는 전동 모터(16)의 실제의 회전 속도(실 속도 V)에 기초하여 전동 모터(16)의 목표 속도 V*을 산출하고, 당해 목표 속도 V*에 따른 제어 신호(속도 지령)를 제2 컨트롤러(22)에 출력한다.

제2 컨트롤러(22)는, 제1 컨트롤러(11)로부터 입력되는 속도 지령(제어 신호)과, 기기 성능의 제약 등(예를 들어, 압박, 전력, 직류 라인 전압)으로 규정되는 토크 제한과, 위치 센서(24)에 의해 검출되는 전동 모터(16)의 회전 위치(실 속도 V)와, 3상 모터 전류 센서(30)에 의해 검출되는 전류값(실 전류)을 고려하여 생성한 토크 지령(제어 신호)을 출력하고, 당해 토크 지령에 기초하여 IGBT(23)의 온·오프를 함으로써 전동 모터(16)를 제어한다(이후의 도 5 참조). 또한, 제2 컨트롤러(22)는, 위치 센서(24)에 의해 검출되는 전동 모터(16)의 회전 위치로부터 전동 모터(16)의 실 속도 V를 산출하여 제1 컨트롤러(11)에 출력(피드백)한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 제1 컨트롤러(11)로부터의 지령값으로서, 속도 지령을 출력하고 있지만, 이 대신에 선회 토크 지령을 사용할 수도 있다. 이 경우, 제2 컨트롤러(22)는, 제1 컨트롤러(11)에 전동 모터(16)의 실 토크값을 피드백하게 된다.

선회 비상 브레이크(제동 장치)(25)로서는, 예를 들어 유압 브레이크를 이용할 수 있다. 유압 브레이크는, 복수의 원반과 제륜자 스프링에 의해 압박되어 있고, 브레이크를 해제하기 위한 유압을 가함으로써, 스프링의 힘을 극복하여 브레이크가 개방되는 기구로 되어 있다.

도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 건설 기계 제어 시스템의 구체적인 건설 기계에의 응용예를 도시하는 도면이다. 또한, 상기한 도면과 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략하는 경우가 있다(이후의 각 도면에 있어서도 마찬가지로 한다).

이 도면에 있어서, 조작 장치(4a, 4b)는, 조작 레버를 구비하고 있고, 당해 조작 레버를 오퍼레이터가 조작함으로써, 그 조작 방향 및 조작량에 따른 파일럿압이 발생한다. 파일럿압은, 파일럿 펌프(도시하지 않음)에서 발생한 1차압을 조작 장치(4a, 4b)의 조작량에 따른 2차압으로 감압함으로써 생성된다. 조작 장치(4a)의 조작량에 의해 규정된 파일럿압은, 스풀형의 방향 전환 밸브(5a∼5f)의 수압부에 보내지고, 방향 전환 밸브(5a∼5f)를 도시한 중립 위치로부터 전환 조작한다. 방향 전환 밸브(5a∼5f)는, 엔진(7)을 동력으로 하는 유압 펌프(6)로부터 발생되는 압유의 흐름을 전환 제어하고, 유압 액추에이터(3a∼3f)의 구동을 제어한다. 유압 배관 내의 압력이 과도하게 상승한 경우에는, 릴리프 밸브(8)를 통해 압유를 탱크(9)에 릴리프하는 구조로 하고 있다. 유압 액추에이터(3a∼3c)는, 각각, 붐(1a), 아암(1b), 버킷(1c)을 구동하는 유압 실린더이며, 유압 액추에이터(3e, 3f)는, 하부 주행체(1e)에 설치된 좌우의 주행 장치를 구동하는 유압 모터이다.

유압 펌프(6)와 엔진(7)의 사이에는 동력 변환기(발전 전동기)(10)가 연결되어 있다. 이 동력 변환기(10)는, 엔진(7)의 동력을 전기 에너지로 변환하여 인버터 장치(12, 13)에 전기 에너지를 출력하는 발전기로서의 기능에 더하여, 축전 장치(15)로부터 공급되는 전기 에너지를 이용하여, 유압 펌프(6)를 어시스트 구동하는 전동기로서의 기능을 갖는다. 인버터 장치(12)는, 축전 장치(15)의 전기 에너지를 교류 전력으로 변환하여 동력 변환기(10)에 공급하고, 유압 펌프(6)를 어시스트 구동한다.

인버터 장치(13)는, 동력 변환기(10) 또는 축전 장치(15)로부터 출력되는 전력을 전동 모터(16)에 공급하는 것으로, 도 2의 인버터 장치(13)에 상당한다. 따라서 인버터 장치(13)는, 도 2에 기재된 제2 컨트롤러(22)를 갖고 있고, 제1 컨트롤러(11)로부터의 속도 지령(제어 신호)을 입력하여, 전동 모터(16)의 구동 제어를 행한다. 또한, 인버터 장치(13)는, 제1 컨트롤러(11)로부터 출력되는 속도 지령에 의해 규정되는 목표 속도 V*과, 위치 센서(24)의 검출값으로부터 산출되는 전동 모터(16)의 실 속도 V와, 전동 모터(16)의 실 속도 V의 시간 변화인 가속도 dV/dt에 기초하여, 전동 모터(16)에 관한 전자 제어계[전동 모터(16), 위치 센서(24) 및 인버터 장치(13)]의 이상의 유무를 판정한다. 또한, 조작 장치(4a, 4b)와 방향 전환 밸브(5a∼5f)를 연결하는 파일럿 관로 중, 상부 선회체(1d)의 좌우 방향의 선회 조작을 제어하는 2개의 파일럿 관로에는, 각각 제2 유압 센서[21(21a, 21b)]가 설치되어 있다.

초퍼(14)는, 직류 전력 라인(L1)의 전압을 제어한다. 축전 장치(15)는, 초퍼(14)를 통해 인버터 장치(12, 13)에 전력을 공급하거나, 동력 변환기(10)가 발생시킨 전기 에너지나 전동 모터(16)로부터 회생되는 전기 에너지를 축적한다. 축전 장치(15)로서는, 캐패시터, 배터리, 또는 그 양쪽 모두를 사용할 수 있다.

제1 컨트롤러(11)는, 조작 장치(4a, 4b)와 방향 전환 밸브(5a∼5f)를 연결하는 파일럿 관로 중, 상부 선회체(1d)의 좌우 방향의 선회 조작을 제어하는 2개의 파일럿 관로에 각각 접속된 제1 유압 센서[20(20a, 20b)]로부터 입력되는 전기 조작 신호에 기초하여 전동 모터(16)의 목표 속도 V*을 산출하고, 당해 목표 속도 V*에 따른 제어 신호(선회 조작 지령)를 인버터 장치(13)에 출력한다. 또한, 선회 제동시에는, 전동 모터(16)로부터 전기 에너지를 회수하는 동력 회생 제어도 행한다. 또한, 제1 컨트롤러(11)는, 동력 회생 제어시나, 유압 부하가 가벼워 잉여 전력이 발생하는 경우에 당해 회수 전력이나 잉여 전력을 축전 장치(15)에 축적하는 제어도 행한다.

인버터 장치(12, 13), 초퍼(14) 및 제1 컨트롤러(11)는, 통신선(L2)을 통해 제어에 필요한 신호의 교환을 행한다.

도 4는 본 발명의 실시 형태에 관한 인버터 장치(13) 및 그 주변의 하드웨어 구성의 개략도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 제2 컨트롤러(22)는, 제어 수단으로서, 메인 마이크로컴퓨터(제1 마이크로컴퓨터)(31)와 감시 마이크로컴퓨터(제2 마이크로컴퓨터)(32)를 구비하고 있다. 메인 마이크로컴퓨터(31)와 감시 마이크로컴퓨터(32)는, 서로 독립된 제어 장치이며, 각 마이크로컴퓨터(31, 32)에는, 각 마이크로컴퓨터(31, 32)와 통신선(L2)의 인터페이스로 되는 통신 드라이버(33a, 33b)가 접속되어 있다.

메인 마이크로컴퓨터(31)에는, 제1 컨트롤러(11)로부터 통신 드라이버(33a)를 통해 입력되는 속도 지령과, 제2 유압 센서(21)로부터 출력되는 전기 조작 신호와, 위치 센서(24)로부터 출력되는 전동 모터(16)의 회전 위치 정보와, 전류 센서(30)로부터 출력되는 실 전류 정보가 입력되어 있다. 메인 마이크로컴퓨터(31)는, 위치 센서(24)와 전류 센서(30)의 정보를 이용하여, 통신선(L2) 경유로 제1 컨트롤러(11)로부터 입력한 속도 지령을 만족하도록 IGBT(23)에 대해 게이트 제어 신호를 출력한다.

감시 마이크로컴퓨터(32)에는, 제1 컨트롤러(11)로부터 통신 드라이버(33b)를 통해 입력되는 속도 지령과, 제2 유압 센서(21)로부터 출력되는 전기 조작 신호와, 위치 센서(24)로부터 출력되는 전동 모터(16)의 회전 위치 정보와, 전류 센서(30)로부터 출력되는 전류 정보가 입력되어 있다. 감시 마이크로컴퓨터(32)는, 속도 지령이 규정하는 전동 모터(16)의 목표 속도 V*과, 위치 센서(24)로부터의 회전 위치 정보로부터 산출되는 전동 모터(16)의 실 속도 V와, 전동 모터(16)의 실 속도 V의 시간 변화인 가속도 dV/dt에 기초하여, 전동 모터(16)에 관한 전자 제어계의 이상의 유무를 판정하는 처리를 실행한다.

도 5는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 메인 마이크로컴퓨터(31)의 기능 블록도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 메인 마이크로컴퓨터(31)는, 속도 제어부(60)와, 토크 제어부(61)와, PWM 제어부(62)와, 속도 연산부(64)와, 이상 판정부(65)를 구비하고 있고, 피드백 제어에 의해 전동 모터(16)의 속도를 제어하고 있다.

속도 제어부(60)는, 속도 연산부(64)에서 연산되는 실 속도 V가 속도 지령(목표 속도 V*)에 추종하도록, 토크 제어부(61)에 대한 토크 지령을 생성하는 처리를 실행하는 부분이다.

토크 제어부(61)는, 속도 제어부(60)에서 생성된 토크 지령에 실 토크가 추종하도록 전압 지령을 생성하는 처리를 실행하는 부분이다. 토크 제어부(61)는, 또한, 유압 셔블에 관한 기기 성능의 제약 등에 기인하여, 속도 제어부(60)로부터 출력되는 토크 지령에 전동 모터(16)를 추종시킬 수 없는 경우에는, 당해 토크 지령에 제한을 가하는 처리[즉, 속도 제어부(60)로부터 출력되는 토크 지령을 필요에 따라 저감시키는 처리]를 실행한다.

PWM 제어부(62)는, 펄스폭 변조 방식(Pulse Width Modulation)에 의해, 게이트 제어 신호를 생성하는 처리를 실행하는 부분이다.

속도 제어부(60)에서 생성된 토크 지령은, 토크 제어부(61)에 의한 보정을 받아 전압 지령으로 변환된다. 토크 제어부(61)에서 생성된 전압 지령은, PWM 제어부(62)에 출력되어 게이트 제어 신호로 변환된다. PWM 제어부(62)에서 생성된 게이트 제어 신호는, IGBT(23)에 출력된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 전류 센서(30)의 실 전류가 토크 지령에 상당하는 전류 지령에 추종하도록 피드백 제어함으로써, 전동 모터(16)의 토크 제어를 행하고 있다.

속도 연산부(64)는, 상부 선회체(1d)의 실 속도 V를 연산하는 부분이다. 속도 연산부(64)에는, 위치 센서(24)로부터 출력되는 전동 모터(16)의 회전 위치 정보(리졸버 신호)가 입력되어 있고, 속도 연산부(64)는 당해 회전 위치 정보로부터 실 속도 V를 산출하고 있다.

이상 판정부(65)는, 제1 컨트롤러(11)로부터 통신 드라이버(33a)를 통해 수신한 속도 지령 V*, 속도 연산부(64)에서 산출한 실 속도 V를 사용하여, 전자 제어계에 이상이 발생하였는지의 여부의 판정하는 처리(이상 판정 처리)를 실행하는 부분이다. 다음에, 이상 판정부(65)에서 행해지는 이상 판정 처리에 대해, 도면을 사용하여 상세하게 서술한다.

도 6은 본 발명의 실시 형태에 관한 이상 검출부(65)의 블록도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 이상 판정부(65)는, 가속도 연산부(82)와, 역회전 검출부(80)와, 속도 초과 검출부(81)를 구비하고 있다.

가속도 연산부(82)에는 속도 연산부(64)에서 산출되는 실 속도 V가 입력되어 있다. 가속도 연산부(82)는, 입력된 당해 실 속도 V를 사용하여 가속도 dV/dt를 산출하고, 역회전 검출부(80) 및 속도 초과 검출부(81)에 출력한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 전동 모터(16)의 가속도를 산출할 때에 실 속도 V로부터 가속도 dV/dt를 산출하는 구성을 채용하였지만, 전동 모터(16)에 출력되는 토크 지령(목표 토크)이나, 전동 모터(16)가 발생하는 실 토크[전류 센서(30)의 출력으로부터 산출함]로부터 가속도 dV/dt를 산출해도 된다. 또한, 이들 대신에, 가속도 센서 또는 자이로 센서 등의 가속도 검출 수단을 설치하고, 당해 검출 수단으로부터의 출력을 이용해도 된다.

역회전 검출부(80)에는, 제1 컨트롤러(11)로부터 출력되는 속도 지령(목표 속도 V*)과, 속도 연산부(64)에서 산출되는 실 속도 V와, 가속도 연산부(82)에서 산출되는 가속도 dV/dt가 입력되어 있다. 역회전 검출부(80)에서는, 목표 속도 V*로부터 실 속도 V를 감한 값(속도 편차의 값)의 부호와, 가속도 dV/dt의 부호가 다른 상태(제1 조건)가 성립하고 있는지의 여부를 판정하고 있고, 이에 의해 오퍼레이터의 지시에 대해 전동 모터(16)가 역회전하고 있는지의 여부를 판정한다. 도면에 도시한 예에서는, 목표 속도 V*로부터 실 속도 V를 감한 값의 부호가 「플러스」이고, 가속도 dV/dt의 부호가 「마이너스」인 경우를 검출하는 경우를 나타내고 있다.

속도 초과 검출부(81)에는, 제1 컨트롤러(11)로부터 출력되는 속도 지령(목표 속도 V*)과, 속도 연산부(64)에서 산출되는 실 속도 V와, 가속도 연산부(82)에서 산출되는 가속도 dV/dt가 입력되어 있다. 속도 초과 검출부(81)에서는, 목표 속도 V*과 실 속도 V의 편차가 기준값 Vth(제1 기준값)보다 크고, 또한, 가속도가 기준값 βth(제2 기준값)보다 큰 상태(제2 조건)가 성립하고 있는지의 여부를 판정하고 있고, 이에 의해 오퍼레이터의 지시에 반하여 전동 모터(16)의 회전 속도가 초과하고 있는지의 여부를 판정한다. 이와 같이 속도 편차의 크기에 더하여 가속도의 크기를 고려하면, 속도 편차가 제1 기준값 Vth를 초과하는 정도로 크게 괴리되어도, 가속도가 기준값 βth 미만일 때에는, 당해 속도 편차의 괴리는 상부 선회체(1d)의 관성에 기인하는 것이며, 정상적인 상태라고 판정할 수 있다. 따라서 상부 선회체(1d)의 관성을 고려할 수 있으므로, 속도 편차에만 착안한 경우와 비교하여 오판정 및 검출 누락의 발생을 억제할 수 있다.

이상 판정부(65)는, 역회전 검출부(80)와 속도 초과 검출부(81)에 있어서, 제1 조건 및 제2 조건 중 적어도 한쪽이 성립하는 경우에, 전동 모터(16)에 관한 전자 제어계에 이상[예를 들어, IGBT(23) 또는 전동 모터(16)의 고장이나, 선회 제어 시스템 이외의 이상]이 발생하였다고 판단한다. 본 실시 형태에 관한 이상 판정부(65)는, 이와 같이 이상이 발생하였다고 판단한 경우에는, IGBT(23)의 게이트 오프 신호를 출력하여 전동 모터(16)를 프리 런 상태로 한 후, 제동 신호를 선회 비상 브레이크(25)에 출력하여 전동 모터(16)를 제동한다. 이와 같이 비상 브레이크(25)를 작동시키면, 인버터 장치(13)에 제로 속도 지령을 출력하여 제어적으로 제동[즉, 전동 모터(16)가 감속 토크를 발생하는 전압을 인버터 장치(13)에 의해 인가]할 수 없는 경우라도, 전동 모터(16)를 제동할 수 있다.

또한, 통지 신호에 기초하여 유압 셔블에 이상이 발생한 것을 통지하는 통지 장치를 이상 판정부(65)와 접속하고, 상기와 마찬가지로 제1 조건 및 제2 조건 중 적어도 한쪽이 성립한 경우에는, 상기한 제동 신호 대신에 또는 제동 신호와 함께 당해 통지 장치에 대해 통지 신호를 출력하고, 이상이 발생한 취지를 오퍼레이터 또는 관리자 등에게 통지하도록 구성해도 된다. 통지 장치의 구체예로서는, 유압 셔블에 있어서의 운전실 내의 운전석 부근에 탑재된 표시 장치(26)(도 2 참조), 경고등, 경보기 등이 있다. 그때, 이상이 발생한 취지와 함께, 기기의 점검이나 수리를 재촉하는 메세지를 표시 장치(26)상에 표시해도 된다.

여기서, 상기한 바와 같이 구성되는 유압 셔블에 있어서 실행되는 이상 판정 처리에 대해, 일례를 들어 설명한다. 도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d는 속도 지령 V*과 실 속도 V의 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 이들 도면에 있어서, 도 7a 및 도 7b는 정지로부터 선회에 이르는 동작을 나타내고 있다. 도 7a의 경우에는 정상적으로 전동 모터(16)가 가속하고 있고, 제1 조건 및 제2 조건 모두가 성립하지 않아, 이상 판정부(65)에서는 이상으로는 판정되지 않는다. 한편, 도 7b는 오퍼레이터의 의도와는 반대로 회전하고 있는 경우이다. 이 경우에는, 목표 속도 V*로부터 실 속도 V를 감한 값의 부호는 「플러스」이고, 가속도 dV/dt의 부호는 「마이너스」로 된다. 따라서 적어도 제1 조건이 성립하여, 이상이 발생하였다고 판정되므로, 이상 판정부(65)는 선회 비상 브레이크(25)에 제동 신호를 출력한다.

다음에, 도 7c 및 도 7d는 선회로부터 정지에 이르는 동작을 나타내고 있다. 도 7c의 경우에는, 오퍼레이터가 조작 장치(4d)의 조작 레버를 중립 위치로 복귀시킴으로써 속도 지령을 제로로 하여, 상부 선회체(1d)를 정지시키고 있다. 이 경우에는 전동 모터(16)는 정상적으로 감속하고 있고, 제1 조건 및 제2 조건 모두는 성립하지 않고, 이상으로는 판정되지 않는다. 한편, 도 7d의 경우에는, 오퍼레이터가 역회전 방향으로 레버를 조작함으로써 정지시킨 동작을 나타내고 있다. 이 경우에는, 속도 지령과 실 속도의 극성이 반전하고, 속도 편차도 과대한 상태가 계속되지만, 어디까지나 정상적인 동작이다. 이 경우에는, 목표 속도 V*로부터 실 속도 V를 감한 값의 부호는 「마이너스」이고, 가속도 dV/dt의 부호도 「마이너스」로 되므로, 제1 조건은 성립하지 않는다. 또한, 목표 속도 V*과 실 속도 V의 편차는 기준값 Vth보다 크지만, 가속도 dV/dt는 정상적인 도 7c의 경우와 동일하여 기준값 βth보다 작으므로, 제2 조건도 성립하지 않는다. 따라서 본 실시 형태에 따르면, 이와 같은 경우를 오판정하는 일 없이 정상적인 동작이라고 판정할 수 있다.

상기한 바와 같이 구성한 유압 셔블에 따르면, 전자 제어계의 이상 판정에 관한 오판정을 억제할 수 있으므로, 유압 셔블의 가용성이 향상되어 작업 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이상 판정에 관한 검출 누락을 억제할 수 있으므로 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기한 실시 형태에서는, 전동 모터(16)의 속도(속도 지령 V*과 실 속도 V)를 이용함으로써 이상 판정 처리를 행하였지만, 전동 모터(16)의 토크[속도 제어부(60)로부터 출력되는 토크 지령과, 전류 센서(30)로부터 산출되는 실 토크]를 이용해도 상기와 동일한 처리를 실행할 수 있다. 속도 지령 V*과 실 속도 V의 괴리가 큰 경우에는 판정 정밀도가 저하되는 경향이 있지만, 이와 같이 토크에 기초하여 이상 판정 처리를 실행하면 판정 정밀도의 저하를 억제할 수 있다.

그런데, 상기한 실시 형태에서는, 메인 마이크로컴퓨터(31)에 있어서 이상 판정 처리를 실행하는 경우에 대해 설명하였지만, 감시 마이크로컴퓨터(32)에 속도 연산부(64) 및 이상 판정부(65)를 설치함으로써 메인 마이크로컴퓨터(31)와 동일한 이상 판정 처리 기능을 감시 마이크로컴퓨터(32)에 실장해도 된다. 감시 마이크로컴퓨터(32)는 메인 마이크로컴퓨터(31)와 마찬가지로, 통신선(L2)으로부터 속도 지령 V*을 수신하고, 위치 센서(24)와 전류 센서(30)로부터의 신호를 입력하고 있다. 따라서 이들 각 정보와 속도 연산부(64) 및 이상 판정부(65)를 사용하여 도 6에서 설명한 이상 판정 처리를 실행하면 된다. 그리고 이상 검출시에는, 감시 마이크로컴퓨터(32)로부터 IGBT(32)에 게이트 오프 신호를 출력하는 동시에 선회 비상 브레이크에 제동 신호를 출력한다. 이에 의해, 예를 들어 메인 마이크로컴퓨터(31)에 이상이 발생하여 비정상적인 모터 제어가 행해진 경우이어도, 감시 마이크로컴퓨터(32)에 의해 상부 선회체(1d)의 선회 동작을 정지시킬 수 있다. 또한, 감시 마이크로컴퓨터(32)에서는 모터 제어를 행할 필요는 없으므로, 감시 마이크로컴퓨터(32)에 메인 마이크로컴퓨터(31)와 같은 높은 연산 성능은 필요없어, 저렴한 마이크로컴퓨터를 사용할 수 있다. 또한, 상기한 실시 형태와 같이 메인 마이크로컴퓨터(31)만으로 모터 제어 및 이상 판정 처리를 실행하는 경우에는, 감시 마이크로컴퓨터(32)를 생략해도 되는 것은 물론이다.

또한, 감시 마이크로컴퓨터(32)와 메인 마이크로컴퓨터(31)를 통신 가능하게 접속하고, 감시 마이크로컴퓨터(32)에 상기 처리를 실행시키는 것에 더하여, 감시 마이크로컴퓨터(31)로부터 메인 마이크로컴퓨터(31)에 적당한 문제를 출제하고, 그 해답 결과에 기초하여 메인 마이크로컴퓨터의 진단을 행하는 예제 연산 방식 등을 조합하여 메인 마이크로컴퓨터(31)의 상태를 감시하도록 해도 된다. 예를 들어, 이러한 종류의 방법으로서, 적당한 간격으로 메인 마이크로컴퓨터(31)에 연산을 시켜, 그 연산 결과의 옳고 그름을 감시 마이크로컴퓨터(32)에서 판정하고, 메인 마이크로컴퓨터(31)의 상태를 진단하는 방법이 있다.

또한, 상기한 실시 형태에서는, 통신 드라이버(33b)를 설치하여 감시 마이크로컴퓨터(32)에 통신 기능을 실장시키고, 속도 지령 V*을 제1 컨트롤러(11)로부터 직접 수신하는 경우에 대해 설명하였지만, 속도 지령 V*을 메인 마이크로컴퓨터(31) 경유로 수신하도록 하면, 통신 드라이버(33b)를 생략할 수 있어, 보다 저비용으로 시스템을 구성할 수 있다. 또한, 이와 같이 구성하는 경우에는, 메인 마이크로컴퓨터(31)의 이상시에 감시 마이크로컴퓨터(32)가 잘못된 지령값을 수신하여, 메인 마이크로컴퓨터(31)의 이상을 검출할 수 없는 것을 방지하기 위해, 제1 컨트롤러(11)는 미리 속도 지령 V*에 체크 코드나 일련 번호를 부가하여 송신하도록 하는 것이 바람직하다. 메인 마이크로컴퓨터(31)는 이들을 가공하지 않고 그대로 감시 마이크로컴퓨터(32)에 송신함으로써, 감시 마이크로컴퓨터(32)는, 메인 마이크로컴퓨터(31)의 이상에 의해 지령값이 조작되어 있지 않은지를 판정할 수 있다.

제1 컨트롤러(11) 및 제2 컨트롤러(22)의 이상 검출은, 여기까지 서술해 온 실시 형태 외에도, 제1 컨트롤러(11)와 제2 컨트롤러(22)의 양자에서 상호 감시를 행하는 것에 의해서도 실현할 수 있다. 제1 컨트롤러(11)와 제2 컨트롤러(22)의 양자에서 상호 감시를 행하는 구체적으로서는, 전술한 예제 연산이나, 얼라이브 카운터(통신 주기마다 카운트 업하고, 소정값에 도달하면 클리어되는 카운터)가 갱신되어 있는 것을 체크하는 방법 등이 있다.

상기한 바와 같이 유압 셔블을 구성하면, 개개의 컨트롤러를 용장화하는 일 없고, 위치 센서(24), 컨트롤러(11, 12), 인버터 장치(13), 전동 모터(16)의 어느 것의 고장시에 있어서도, 상부 선회체(1d)에 관한 전자 제어계의 안전성을 저비용으로 확보하는 것이 가능해진다. 또한, 용장화된 한쪽의 유압 센서(21)의 출력을 인버터 장치(13)에 입력하고 있으므로, 선회 지령을 연산하는 제1 컨트롤러(11)나 당해 컨트롤러(11)와 인버터 장치(13) 사이의 통신선(L2)의 이상시에 있어서도 선회를 계속시킬 수 있어, 유압 셔블의 가용성을 향상시킬 수 있는 것도 본 발명의 효과이다.

또한, 상기에서는, 건설 기계로서 크롤러식의 유압 셔블을 예로 들어 설명해 왔지만, 전동 모터에 의해 선회 구동되는 상부 선회체를 갖는 건설 기계(예를 들어, 휠식 유압 셔블이나, 크롤러식 및 휠식 크레인 등)이면, 본 발명은 마찬가지로 적용할 수 있다.

1A : 프론트 장치
1B : 차체
1a : 붐
1b : 아암
1c : 버킷
1d : 상부 선회체
1e : 하부 주행체
3a : 붐 실린더
3b : 아암 실린더
3c : 버킷 실린더
3e : 좌측 주행 모터
3f : 우측 주행 모터
4a, 4b : 조작 장치
5a∼5f : 스풀형 방향 전환 밸브
6 : 유압 펌프
7 : 엔진
8 : 릴리프 밸브
9 : 압유 탱크
10 : 동력 변환기
11 : 제1 컨트롤러
12, 13 : 인버터 장치
14 : 초퍼
15 : 축전 장치
16 : 전동 모터(선회 모터)
20 : 제1 유압 센서
20a : 제1 유압 센서(좌측)
20b : 제1 유압 센서(우측)
21 : 제2 유압 센서
21a : 제2 유압 센서(좌측)
21b : 제2 유압 센서(우측)
22 : 제2 컨트롤러
23 : IGBT(인버터 회로)
24 : 위치 센서
25 : 선회 비상 브레이크
26 : 표시 장치
30 : 전류 센서
31 : 메인 마이크로컴퓨터
32 : 감시 마이크로컴퓨터
33a, 33b : 통신 드라이버
60 : 속도 제어부
61 : 토크 제한부
64 : 속도 연산부
65 : 이상 판정부
80 : 역회전 검출부
81 : 속도 초과 검출부
82 : 가속도 연산부
L1 : 직류 전력 라인
L2 : 통신선

Claims

선회체와,
상기 선회체를 구동하는 전동 모터와,
상기 전동 모터를 조작하기 위한 조작 신호를 조작량 및 조작 방향에 따라 출력하는 조작 장치와,
상기 조작 신호에 기초하여 생성된 제어 신호에 기초하여 상기 전동 모터를 제어하는 제1 제어 수단과,
상기 전동 모터의 실 속도를 검출하는 검출 수단과,
상기 제어 신호가 규정하는 상기 전동 모터의 목표 속도로부터 상기 실 속도를 감한 값의 부호와, 상기 전동 모터의 가속도의 부호가 다른 상태를 제1 조건으로 하고, 상기 목표 속도와 상기 실 속도의 편차가 제1 기준값보다 크고, 또한, 상기 가속도가 제2 기준값보다 큰 상태를 제2 조건으로 하였을 때, 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건 중 적어도 한쪽이 성립하는지의 여부를 판정하는 제2 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
제1항에 있어서,
제동 신호에 기초하여 상기 전동 모터를 제동하는 제동 장치를 더 구비하고,
상기 제2 제어 수단은, 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건 중 적어도 한쪽이 성립하였을 때, 상기 제동 장치에 상기 제동 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
제1항에 있어서,
통지 신호에 기초하여 상기 건설 기계에 이상이 발생한 것을 통지하는 통지 장치를 더 구비하고,
상기 제2 제어 수단은, 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건 중 적어도 한쪽이 성립하였을 때, 상기 통지 장치에 상기 통지 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 전동 모터의 가속도를 검출하는 가속도 검출 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 전동 모터의 가속도는, 상기 제어 신호가 규정하는 상기 전동 모터의 목표 토크, 또는 상기 전동 모터가 발생하는 실 토크에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 제1 제어 수단과 상기 제2 제어 수단은 다른 제어 장치인 것을 특징으로 하는, 건설 기계.