KR100330605B1

KR100330605B1 - 유압펌프의제어장치

Info

Publication number: KR100330605B1
Application number: KR1019970066050A
Authority: KR
Inventors: 마코토 사메지마; 히데오 고니시
Original assignee: 가와이 기요카즈; 신갸타피라 미쓰비시 가부시키가이샤
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 2002-07-12
Also published as: EP0851122B1; EP0851122A3; KR19980063807A; EP0851122A2; DE69729271D1; CA2225434A1; US5944492A; CA2225434C; CN1089867C; DE69729271T2; JPH10196606A; CN1186915A

Abstract

엔진 추력에 대한 유압펌프의 흡수토오크를 양호한 밸런스로 제어하여, 엔진의 목표회전수에 대한 실제회전수의 변동을 작게 한다.

펌프압력(Pp)과 제 1, 제 2 회로압력(Pr1,Pr2)으로 부터 운전중인 유압펌프의 토오크를 예측하고, 이 예측토오크(Tp)에 의거하여 엔진 목표회전수(Nset)와 실제회전수(Ne)와의 오차(△Ne)가 없어지도록 유압펌프의 출력토오크(Tr)를 제어한다.

Description

유압펌프의 제어장치

본 발명은, 유압쇼벨 등의 작업기계에 설치되는 유압펌프의 기술분야에 관한 것이다.

일반적으로, 이런 종류의 작업기계중에는, 엔진동력으로 구동시키는 가변용량형 유압펌프를 구비함과 동시에, 이 유압펌프의 토출유압을 조작부재의 조작량에 따라서 개방도의 정도가 변화하는 방향전환밸브를 통하여 복수의 유압 액츄에이터로 공급하도록 구성된 것이 있으나, 이러한 것에서, 복합적으로 조작되는 복수의 유압 액츄에이터에 과부족 없이 유압을 공급하기 위해서는, 엔진의 목표회전수에 실제회전수가 추종하기 위해, 펌프 흡수토오크(혹은 흡수마력)를 엔진토오크(혹은 엔진마력)에 대하여 밸랜스가 맞도록 제어하는 것이 요구된다.

그리하여, 종래에는 도 10에서와 같이, 펌프 레귤레이터(12,13)로 공급되는 토오크 제어압력(Ps)을 제어장치(30)로서 제어하도록 한 것이 있다.

즉, 도 10에 있어서, 제어장치(30)에는 엔진(11)의 회전수를 검출하는 회전수센서(22)와, 유압펌프(9,10)가 유압을 토출하고 있는가의 여부판정을 하는 압력스위치(31)로부터의 검출신호가 입력되도록 되어 있으며, 그리고 제어장치(30)는 엔진회전수가 목표회전수에 추종하도록 유압펌프의 흡수토오크(혹은 마력)를 제어하고자 전자비례 감압밸브(14)에 제어신호를 출력한다. 그리고 그 제어신호는 전자비례 감압밸브(14)로 전압 변환되어서 레귤레이터(12,13)에 토오크제어압력(Ps)을 공급한다.

그런데, 상기 종래의 토오크(마력)제어에 있어서는 유압펌프의 유량을 산출하기 위한 검출신호(예컨대 조작부재의 조작량 검출신호)가 제어장치에 입력되지 않는 구성이므로, 유압펌프에 요구되는 흡수토오크를 양호한 정밀도로 지정하는 것이 어렵다. 그 때문에 조작부재의 조작개시, 종료 직후 혹은 미세 조작시에 있어서, 엔진출력과 펌프 흡수토오크와의 밸런스가 무너져, 엔진 목표회전수에 대한 실제회전수의 변동이 커져서 조작성이 손상된다는 문제가 있으며, 여기에 본 발명이 해결하려는 과제가 있었다.

또, 제어장치의 조정은 동일한 작업기계라도 기종이 다르면, 그 때마다 튜닝을 할 필요가 있으며, 필요하면 제어 프로그램의 일부를 기종마다 행할 필요가 생겨 번잡하였다.

또한, 작업기계는 동일한 기종이라도 개체 차이가 있다. 또 작업 환경이 다르거나(예컨대 한냉지, 온난지 등), 엔진에 사용하는 연료를 변경하는 경우도 있으며, 이와 같이 개체 차이, 작업환경 등의 각종 조건이 다르면 작업기계를 출하시키기 전에 행한 튜닝으로는 적응이 안되며, 목표회전수에 대한 실제회전수의 변동이 커져 버린다는 해결해야 할 과제도 있었다.

도 1은 유압쇼벨의 사시도,

도 2는 파워 유니트계의 구성을 나타낸 도면,

도 3은 엔진출력특성과 목표회전수의 관계를 나타낸 설명도.

도 4는 엔진출력특성과 목표회전수의 관계를 나타낸 설명도,

도 5는 유압펌프의 레귤레이터 특성을 나타낸 설명도,

도 6은 제 1 실시형태에서의 제어장치의 제어순서를 나타낸 블록도,

도 7은 퍼지룰(Fuzzy rule)을 나타낸 도표,

도 8은 퍼지룰 조건부의 멤버쉽 함수의 예를 나타낸 설명도,

도 9는 제 2 실시형태에서의 제어장치의 제어순서를 나타낸 블록도,

도 10은 종래 기술의 파워 유니트계의 구성을 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 유압쇼벨 2 : 상부선회체

3 : 붐 4 : 붐실린더

5 : 스틱 6 : 스틱실린더

7 : 버킷 8 : 버킷실린더

9,10 : 유압펌프 9a,10a : 경사판

11 : 엔진 12,13 : 레귤레이터

14 : 전자비례 감압밸브 15,17 : 전환밸브

16,18 : 릴리프밸브 19,20 : 조작레버

21,30 : 제어장치 22 : 회전수센서

23∼25 : 압력센서 26 : 탱크

27,28 : 유압 액츄에이터

50 : 제 1 펌프 토출유량 예측연산부

51 : 제 2 펌프 토출유량 예측연산부

52 : 예측토오크 연산부 53 : 조건부 연산부

54 : 가산기 55 : 결론부 연산부

56 : 제어 출력토오크 연산부 57 : 제어압력 변환기

58 : 가산기

본 발명은, 상기와 같은 실정을 참작하여, 이들의 과제 해결을 목적으로 하여 창작된 것으로서, 엔진에 의해 구동되고, 조작부재의 조작량에 대응하여 압력오일을 유압 액츄에이터로 공급하는 가변용량형 유압펌프에 있어서, 이 유압펌프의 출력토오크를 제어하기 위한 제어장치의 설치시에, 상기 제어장치에 엔진회전수를 검출하는 실제회전수 검출수단과, 유압펌프의 출력상태를 검출하는 출력상태 검출수단을 접속함과 동시에, 상기 출력상태 검출수단의 검출결과로부터 운전중인 유압펌프의 토오크를 예측하고, 이 예측한 예측토오크에 의거하여 엔진의 사전에 설정되는 목표회전수와 실제회전수와의 회전수 오차가 없어지도록 유압펌프의 출력토오크를 제어하는 구성으로 한 것이다.

그리고, 이와 같이 구성함으로써, 출력상태 검출수단의 검출결과에 의해 예측되는 예측토오크에 의거하여, 엔진 목표회전수와 실제회전수와의 회전수 오차가 없어지도록 유압펌프의 출력토오크가 제어됨으로써, 조작부재의 조작개시, 종료 직후나 미세 조작시에서도 회전수 오차가 크게 변동되어 버리는 등의 일은 없고, 조작성이 향상한다.

여기에서, 제어장치에, 출력상태 검출수단의 검출결과로부터 운전중인 유압펌프의 토출유량을 예측하고, 이 예측된 토출유량에 의거하여 유압펌프의 예측토오크 및 예측토오크의 변화량을 연산하는 예측토오크 연산부를 설치할 수 있으며, 이에 따라 예측토오크를 양호한 정밀도로 구할 수 있다.

이 경우, 출력상태 검출수단을 유압펌프의 토출압력을 검출하는 토출압력 검출수단과, 조작부재의 조작량을 검출하는 조작량 검출수단 또는 조작부재의 조작량에 대응하여 변화하는 회로압력을 검출하는 회로압력 검출수단으로 하는 것에 의해, 유압펌프의 토출압력과 토출유량을 구할 수 있다.

또한, 제어장치는, 상기 예측토오크 연산부에 의해 연산된 예측토오크 및 예측토오크 변화량에 의거하여, 사전에 설정된 제 1 수치범위에 대한 예측토오크의 적합도와 사전에 설정된 제 2 수치범위에 대한 예측토오크 변화량의 적합도를 구하고, 다시 이들 각 적합도의 합성값을 연산하는 적합도 연산부가 설치되며, 이 적합도 연산부에서 연산된 적합도 합성값과 엔진회전수 오차에 의거하여 유압펌프의 출력토오크를 제어하는 구성으로 할 수가 있다.

이와 같이 함으로써, 운전중인 유압펌프의 출력상태와 엔진회전수의 오차에 따라서 유압펌프의 제어 출력토오크를 제어할 수 있게 되어, 작업기계의 기종, 개체 차이 등에 의한 유압펌프의 출력상태가 변화하거나, 작업환경변화나 엔진연료변화 등에 의한 엔진특성에 따른 엔진회전수의 동력특성이 변화하여도, 제어측이 학습하여 각 작업기계에 따른 유압펌프의 제어를 행할 수 있다.

또, 제어장치는, 예측토오크 연산부에 의해 연산된 예측토오크 및 예측토오크 변화량에 의거하여 목표토오크에 대한 예측토오크의 오차를 산출함과 동시에, 사전에 설정한 제 1 수치범위에 대한 예측토오크 오차의 적합도와 사전에 설정된 제 2 수치범위에 대한 예측토오크 변화량의 적합도와 사전에 설정한 제 3 수치범위에 대한 펌프 허용토오크의 적합도를 구하고, 또한 이들 각 적합도의 합성값을 연산하는 적합도 연산부가 설치되어, 이 적합도 연산부에서 연산된 적합도 합성값과 엔진회전수 오차에 의거하여 유압펌프의 출력토오크를 제어하는 구성으로 할 수도 있다.

이에 따라서, 엔진의 목표회전수마다 결론부 변수(consequent varible)를 개별적으로 설정할 필요가 없어져, 제어장치의 메모리 용량을 삭감할 수 있다는 이점이 있다. 또한 이것은 목표토오크에 대한 예측토오크의 오차도 적합도 연산의 대상으로 되어 있으므로, 운전상태, 기체의 개체차이, 작업환경 등에서 생기는 상기 오차에도 대응한 유압펌프의 제어를 행할 수 있다.

또한, 제어장치는, 예측토오크 연산부에서 연산되는 예측토오크와 예측토오크 변화량을 퍼지제어의 조건부 룰(antecedent rule)에 입력하고, 이 조건부 룰의멤버쉽 함수로서 각 조건부 룰의 적합도를 산출하며, 또한 그 각 조건부 룰의 적합도 끼리의 각 합성값을 연산하는 퍼지룰(fuzzy rule) 조건부 연산부와, 이 퍼지룰 조건부 연산부에서 연산된 각 적합도 합성값과 엔진회전수 오차에 의거하여 결론부 변수(consequent variable)를 연산하는 퍼지룰 결론부 연산부가 설치되고, 이들 전결론부 연산부에서 연산된 각 적합도 합성값과 각 결론부 변수에 의해 결론부 변수의 평균값을 산출하고, 이 평균값에 의거하여 유압펌프의 출력토오크를 제어하는 구성으로 할 수 있다.

또, 제어장치는, 예측토오크 연산부에서 연산되는 예측토오크의 목표토오크에 대한 오차와 예측토오크의 변화량과 펌프 허용토오크를 퍼지제어의 조건부 룰에 입력하고, 이 조건부 룰의 멤버쉽 함수로서 각 조건부 룰의 적합도를 산출하며, 또한 그 각 조건부 룰의 적합도 끼리의 각 합성값을 연산하는 퍼지룰 조건부 연산부와, 이 퍼지룰 조건부 연산부에서 연산된 각 적합도 합성값과 엔진회전수 오차에 의거하여 결론부 변수를 연산하는 퍼지룰 결론부 연산부가 설치되고, 이들 조건·결론부 연산부에서 연산된 각 적합도 합성값과 각 결론부 변수에 의해 결론부 변수의 평균값을 산출하고, 이 평균값에 의해 유압펌프의 출력토오크를 제어하는 구성으로 할 수도 있다.

이와 같이 퍼지제어를 이용함으로써, 각 범위의 경계에 연속성을 부여할 수 있어, 제어출력을 연속적으로 부드러운 변화로 행할 수 있다.

(실시형태)

다음에, 본 발명의 제 1 실시형태를 도 1∼도 8에 의거하여 설명한다. 먼저도 1에 있어서, (1)은 유압쇼벨로서, 이 유압쇼벨(1)에는 상부 선회체(2)를 선회시키는 선회모터(도시생략), 붐(3)을 작동시키는 붐실린더(4), 스틱(5)을 작동시키는 스틱실린더(6), 버킷(7)을 작동시키는 버킷실린더(8) 등의 각종 유압 액츄에이터가 설치되어 있는데, 이들의 기본적 구성은 모두 종래의 것과 같다.

도 2는 본 실시형태에서의 파워 유니트계의 구성을 나타낸 개략블록도로서, 이 도 2에 있어서, (9,10)은 엔진(11)의 동력에 의해 구동되어 상기 복수의 유압 액츄에이터로 압력오일을 공급하는 제 1, 제 2 가변용량형 유압펌프이며, 이 제 1, 제 2 유압펌프(9,10)는 경사판(9a,10a)의 경사판 각도 변위에 따라서 토출량이 변화하는 경사판식의 액셜 피스턴펌프로 구성되어 있다. 또 (12,13)은 상기 경사판(9a,10a)을 변위키기 위한 레귤레이터이며, 이 레귤레이터(12,13)는 후술하는 바와 같이, 전자비례 감압밸브(14)로부터 공급되는 토오크 제어압력(Ps), 제 1, 제 2 방향전환밸브(15,17)의 통과 압력오일이 탱크(26)로 흐르는 회로의 압력(Pr1,Pr2) 및 유압펌프(9,10)의 토출부의 회로압력(Pp)에 의해 제어되도록 구성되어 있다. 그리고 도 2에 있어서, 설명을 간단하게 하기 위하여 유압 액츄에이터로서, 제 1, 제 2 유압펌프(9,10)로부터 각각 압력오일이 공급되는 제 1, 제 2 액츄에이터(27,28)의 두가지를 나타내고 있다.

상기한 제 1, 제 2 방향전환밸브(15,17)는 제 1, 제 2 유압 액츄에이터(27,28)로의 압력오일의 공급량, 방향을 제어하는 것으로서, 이것은 조작레버(19,20)의 레버조작량에 대응한 조작압력을 받아서 작동한다. 또 (16,18)은 상기 제 1, 제 2 방향전환밸브(15,17)의 센터 바이패스통로를 통과하는 압력오일이탱크(26)로 흘러 들어가는 회로에 설치된 제 1, 제 2 릴리프밸브이다.

여기에서, 조작레버(19,20)에 의한 조작량이 제로인 경우(중립위치에 위치하고 있는 경우), 방향전환밸브(15,17)는 유압 액츄에이터(27,28)를 통하는 밸브통로가 닫혀 있으며, 유압펌프(9,10)로부터 토출되는 압력오일은 방향전환밸브(15,17)의 센터 바이패스통로 및 릴리프밸브(16,18)를 경유하여 탱크로 유입된다. 이 때 릴리프밸브(16,18)의 입구측 회로의 압력(Pr1,Pr2)은 릴리프 설정압력으로 된다. 이러한 상태에서 조작레버(19,20)를 조작하여 가면, 방향전환밸브(15,17)는 유압 액츄에이터(27,28)를 통하는 밸브통로를 서서히 열고, 센터 바이패스통로는 서서히 닫혀진다. 그리고 조작레버(19,20)를 완전 조작한 경우에는 유압 액츄에이터(27,28)로 통하는 밸브통로가 전부 열리는 반면에, 센터 바이패스통로는 전부 닫혀서 릴리프밸브(16,18)를 통과하는 압력오일이 없어져서, 릴리프밸브(16,18)의 입구측 회로의 압력(Pr1,Pr2)은 탱크압력 가까이 저하한다. 즉 레버조작량에 의해 상기 릴리프밸브(16,18)의 입구측 회로의 압력(Pr1,Pr2)이 변화하고, 이 압력(Pr1,Pr2)이 전술한 바와 같이 레귤레이터(12,13)로 전달되게 된다.

또한, 상기 제어장치(21)는 마이크로컴퓨터 등을 사용하여 구성되는 것인데, 이 제어장치(21)는 엔진(11)의 회전수(Ne)를 검출하는 회전수센서(22), 유압펌프(9,10)의 토출압력(Pp)을 검출하는 압력센서(23), 상기 릴리프밸브(16,18)의 입구측 회로의 압력(Pr1,Pr2)을 검출하는 압력센서(24,25) 등으로 부터의 검출신호가 입력되도록 되어 있으며, 이들 검출신호에 의거하여 상기 전자비례 감압밸브(14)로 제어신호를 출력한다. 그리고 그 제어신호는 전자비례 감압밸브(14)로 전유(電油) 변환되어 레귤레이터(12,13)에 토오크 제어압력(Ps)을 공급하는 구성으로 되어 있다.

다음에, 상기 제어장치(21)에 있어서의 제어 순서 블록도를 도 6에 나타내었는데, 이 도 6에 있어서, (50)은 제 1 펌프 토출유량 예측연산부이며, 이 연산부(50)에는 상기 압력센서(24)에 의해 검출되는 제 1 릴리프밸브(16)의 입구측 압력(이하, 제 1 회로압력이라 칭함)(Pr1)과, 압력 센서(23)에 의해 검출되는 유압펌프(9,10)의 토출압력(이하, 펌프압력이라 칭함)(Pp)과, 앞서의 스텝의 토오크 제어압력(Ps)이 입력되고, 이들 입력값에 의거하여 제 1 펌프(9)의 토출유량(Q1)을 예측한다.

(51)은 제 2 펌프 토출유량 예측연산부이며, 이 연산부(51)에는 상기 압력센서(25)에 의해 검출되는 제 2 릴리프밸브(18)의 입구측 압력(이하, 제 2 회로압력이라 칭함)(Pr2)과, 펌프압력(Pp)과, 앞서의 스텝의 토오크 제어압력(Ps)이 입력되고, 이들 입력값에 의거하여 제 2 펌프(10)의 토출유량(Q2)을 예측한다.

(52)는 예측토오크 연산부이며, 이 연산부(52)에는 상기 예측유량(Q1,Q2)과, 펌프압력(Pp)과, 상기 회전수센서(22)에 의해 검출되는 엔진회전수(이하, 실제회전수라 칭함)(Ne)가 입력되고, 이들 입력값에 의거하여 2대의 유압펌프(9,10)로 출력되고 있는 예측토오크(Tp) 및 이 예측토오크의 변화량(DTp)를 연산한다. 그리고 상기 변화량(DTp)은 단위시간당의 토오크변화로서, d(Tp)/dt로 표시된다.

(53)은 퍼지룰 전건부의 적합도 연산부(이하, 조건부 연산부라 칭함)로서 이연산부(53)에는 상기 예측토오크(Tp)와 토오크 변화량(DTp)이 입력되고, 이들 입력값에 의거하여 퍼지룰의 조건부(if∼then∼룰로 표시한 경우의 if∼부에 상당함)의 적합도를 멤버쉽 함수로서 정량적으로 산출한다.

(54)는 가산기이며, 이 가산기(54)에는 사전에 설정되는 엔진(11)의 목표회전수(Nset)와, 상기 회전수센서(22)에 의해 검출되는 엔진(11)의 실제회전수(Ne)가 입력되고, 양 회전수의 오차(△Ne)가 산출된다.

(55)는 퍼지룰 결론부의 변수의 연산부(이하 결론부 연산부라 칭함)이며, 이 연산부(55)에는 상기 조건부 연산부(53)의 연산결과와 회전수 오차(△Ner)가 입력되고, 이들 입력값에 의거하여 결론부의 변수값(Wij)이 산출된다.

(56)은 제어출력 토오크 연산부이며, 이 연산부(56)는 조건부 연산부(53)의 연산결과와 결론부 연산부(55)의 연산결과가 입력되고, 이들 입력값에 의거하여 유압펌프(9,10)의 흡수토오크의 설정치(제어 출력토오크)(Tr)가 연산된다. 그리고 상기 제어출력 토오크(Tr)는 제어 압력변환기(57)에 의해 전자비례 감압밸브(14)에 대한 토오크 제어압력(Ps)으로 변환된다.

여기에서, 본 실시형태에서의 엔진(11) 및 유압펌프(9,10)의 특성에 대하여 설명한다.

먼저, 도 3, 도 4는 엔진출력특성과 목표회전수의 관계를 나타낸 것으로서, 도 3에는 엔진출력을 100% 사용하는 경우, 도 4에는 액셀다이얼을 변경하고, 또한 엔진출력을 100% 이하로 한 경우를 나타내고 있다.

도 3, 도 4에서, 엔진출력은 정격토오크(Te)의 포인트를 경계로 하여, 거버너영역(governor region)과 래깅영역(lagging region)으로 나뉘어진다. 거버너영역은 거버너의 개방도가 100% 이하인 때의 출력영역이며, 래깅영역은 거버너의 개방도가 100%일 때의 출력영역이다.

여기에서, 유압쇼벨(1)로서 심한 굴삭작업을 하는 경우, 엔진출력을 100%로 하고, 또한 연비(燃費)가 양호한 상태에서 작업을 하므로, 도 3의 ●표로 나타낸 점, 즉 정격회전수(정격점에서의 엔진회전수)보다 약간 낮은 곳에 목표회전수(Nset)를 설정한다.

또한, 가벼운 작업을 하는 경우, 엔진출력은 100% 이하에서도 가능하며, 액셀다이얼도 낮게 하여 작업하는 일이 있으므로, 도 4의 ●표로 나타낸 점의 가로좌표값이 목표회전수로 된다. 또 상기 ●표의 세로좌표값이 목표토오크로 된다.

그리고, 상기 제어장치(21)는 유압펌프(9,10)의 흡수토오크가 엔진출력과 밸런스되도록 레귤레이터(12,13)를 조작하고자 상기 전자비례 감압밸브(14)에 대하여 토오크 제어압력(Ps)의 신호를 출력한다.

한편, 도 5는 유압펌프(9,10)의 레귤레이터(12,13)의 특성을 나타낸 것으로서, 이 도 5에서, 펌프압력(Pp)이 낮은 경우의 최대 토출유량(Qu)은 전술한 조작레버(19,20)의 조작량에 의거하여 변화하는 제 1, 제 2 회로압력(Pr1,Pr2)으로 증감시킨다. 예를 들어 레버조작량이 작은 경우에는 상기 최대 토출유량(Qu)이 낮아지도록 레귤레이터(12,13)가 동작한다.

또, 펌프압력(Pp)가 중고압일 때, 토출유량(QL)은 상기 펌프압력(Pp)의 상승과 함께 저하하게 된다. 이 압력영역(도 5에서의 경사 특성선의 영역)은유압펌프(9,10)의 흡수토오크(혹은 마력)가 일정하게 되는 영역(토오크 일정곡선 혹은 마력 일정곡선이라 칭함)이며, 그리고 전자비례 감압밸브(14)로의 토오크 제어압력(Ps)의 지령신호를 변화시키면, 상기 곡선이 화살표방향으로 시프트되어 펌프 흡수토오크(혹은 마력)가 변화한다.

즉, 제 1, 제 2 회로압력(Pr1,Pr2)에 의해 유압펌프(9,10)의 토출유량(QU)을 추정할 수 있으며, 현재의 토오크 제어압력(Ps)과 펌프압력(Pp)에 의하여 토오크 일정곡선 상에서의 토출유량(QL)을 추정할 수 있다. 이것에 의해 운전중인 유압펌프(9,10)의 토출유량(Q)이 정확히 파악되며, 이에 따라 출력토오크도 정확히 추정하는 것이 가능하게 된다.

다음에, 상기제어장치(21)에서의 각 연산부(50∼56)의 연산순서에 대하여 설명한다.

먼저, 제 1 펌프 토출유량 예측연산부(50)는, 앞서 설명한 도 5의 레귤레이터 특성을 이용하여, 제 1 회로압력(Pr1,Pp) 및 전술한 스텝의 토오크 제어 압력(Ps)에 의해 제 1 펌프(9)의 토출유량(Q1)을 예측한다. 제 2 펌프 토출유량 예측연산부(51)는 제 2 회로압력(Pr2)이 입력되는 것 이외에는 마찬가지로 하여 제 2 펌프(10)의 토출유량(Q2)을 예측한다.

예측토오크 연산부(52)에서는, 상기 예측된 토출유량(Q1,Q2)으로 부터 다음 식을 이용하여 유압펌프(9,10)의 예측토오크(Tp)를 산출한다.

Tp = (Q1+Q2)Pp/(2π·Ne·η) (1)

여기서, Q1,Q2는 상기 토출유량 예측연산부(50,51)에 의해 예측된 제 1, 제2 펌프(9,10)의 토출유량, Pp는 펌프압력, Ne는 엔진 실제회전수, 또 η은 펌프 효율이다.

또한, 연산부(52)에서는 예측토오크(Tp)의 시간변화량(DTp)을 다음 식에 의해 산출한다.

DTp = (Tp(k)-Tp(k-1))/(t(k)-t(k-1)) (2)

여기에서, (k),(k-1)은 제어상의 스텝을 표시하며, (k)는 현재의 스텝을, (k-1)은 전 스텝을 나타내고 있다. 또 t는 시간이다.

전건부 연산부(53)는, 상기 예측토오크(Tp)와 그 변화량(DTp)을 입력하여 퍼지룰의 전건부(if∼부)에 대한 적합도를 산출한다.

도 7은 퍼지룰을 나타낸 도표이며, 이 도 7에서, 예측토오크(Tp)에 대하여 NB,NM,∼,PB로 기술하고, 변화량(DTp)에 대하여 NB,NM,∼,PB로 기술한 부분이 조건부의 룰에 상당한다. 또 도표 중의 Wij(i=1∼7,j=1∼7)가 결론부 변수이다.

여기에서, NB는 Negative Big, NM은 Negative Medium, NS는 Negative Small, ZO는 Zero, PS는 Positive Small, PM은 Positive Medium, PB는 Positive Big의 약호이며, 퍼지라벨이라고 불리고 있다. 그리고 예를 들면 예측토오크(Tp)에 대하여 NB는 토오크가 상당히 작고, PB는 토오크가 상당히 크다는 의미가 되며, 토오크 변화량(DTp)에 대하여 NB는 토오크변화가 부(負)로서 크고, PB는 토오크변화가 정(正)으로서 크다는 등의 의미이다.

또, 상기 적합도는 각 퍼지라벨에 대한 합치도를 정량적으로 나타내는 것이며, 퍼지 제어인 경우에, 상기 정량화에 멤버쉽 함수가 사용된다.

도 8은 예측토오크(Tp)에 관한 상기 멤버쉽 함수의 예를 나타낸 것이며, 예컨대「if Tp is NM」이라는 조건부 룰인 경우, 도 8 중의 「NM」에 대응하는 멤버쉽 함수(삼각형)를 사용하여, 예측토오크(Tp)에 대한 상기 멤버쉽 함수의 값을 구하고, 이 값을 상기 조건부룰에 대한 적합도로서 정의한다. 다른 조건부 룰에 대하여도 마찬가지이다.

다음에, 조건부 연산부(53)에서는, 각 조건부 적합도의 합성값을 다음과 같이 하여 구한다. 즉 예측토오크(Tp)에 대한 조건부 룰의 각 적합도를 μj, j=1∼7(j=1이 NB에, j=2가 NM에,…, i=7이 PB에 대응함)로 하고, 토오크 변화량(DTp)에 대한 조건부 룰의 적합도를 μi, i=1∼7(i=1이 NB에, i=2가 NM에,…, i=7이 PB에 대응함)로 하여, μi와 μj의 합성값 μij를 다음 식을 이용하여 구한다.

μij = μi×μj (3)

그리고, 합성값의 산출방법은, 상기 이외에 다음 식을 이용하는 방법도 있다.

μij = min(μi,μj) (3-a)

여기에서, min은 최소값을 선택하는 함수이다.

한편, 결론부 연산부(55)는, 가산기(54)로부터 출력되는 엔진 목표회전수 (Nsei)에 대한 실제회전수(Ne)의 오차(△Ne)와, 상기 조건부 연산부(53)로부터 출력되는 합성값(μij)이 입력 되고, 다음 식에 의하여 결론부 변수(Wij)의 값을 산출한다.

Wij(k) = Wij(k-1)-γ·△t·△Ne·μij (4)

여기에서, γ은 학습 이득(learning gain), △t는 제어 사이클시간, △Ne는 회전수 오차, μij는 전건부의 적합도 합성값, i=1∼7, j=1∼7이다.

식 (4)를 이용하면, 조건부 룰의 적합도가 높고(보다 일치하는 조건부 룰), 회전수 오차(△Ne)가 클수록 식 (4)의 제 2 항이 커지고, 전 스텝의 결론부 변수(Wij(k-1))에 대한 수정량이 커진다. 또 회전수 오차(△Ne)가 없어질 때까지, 제 2 항이 변화하므로 결론부 변수(Wij)의 수정(학습)이 행해진다.

이 경우, 예측토오크(Tp), 토오크 변화량(DTp)가 어떻게 천이하는가 하는 것은 조작레버의 조작량, 엔진, 유압펌프의 개체 차이, 기종 등의 특성변화에 따라 다르나, 천이범위를 망라한 멤버쉽 함수로 하여 두면, 상기 특성변화에 대응할 수 있는 펌프 제어를 실행할 수 있다. 즉 특성변화에 가장 적합한 조건부 룰이 연산의 대상이 되며, 그 대상인 조건부 룰에 대응한 결론부 변수(Wij)가 회전수 오차(△Ne)를 제로로 하기 위해 갱신된다(학습함).

또한, 제어출력 토오크 연산부(56)에서는, 상기 결론부 변수(Wij(k))와 조건부 합성값(μij)을 이용하여 다음 식에 의거하여 유압펌프의 제어 출력토오크(Tr)가 산출된다.

Tr = ∑(μij×Wij(k))/∑μij (5)

식 (5)는, 이른바 가중평균의 계산식이며, 퍼지제어의 출력값을 구하는 일반적인 방법이다.

그런데, 액셀다이얼을 변경하면 목표회전수(Nset)도 변경된다. 그리하여 본제 1 실시형태에서는, 각 액셀다이얼마다 결론부 변수(Wij)를 준비하고, 각 액셀다이얼마다 학습연산을 행한다. 이와 같이 함으로써 액셀다이얼마다 적절한 제어(학습)가 행해진다.

상술한 바와 같이 구성된 것에 있어서, 제어장치(21)는 운전중인 유압펌프(9,10)의 토오크를 예측하고, 이 예측토오크(Tp)에 의거하여 제어 출력토오크(유압펌프(9,10)의 흡수토오크 설정값)(Tr)를 연산하게 되는데, 이 예측 토오크 (Tp)를 연산함에 있어서, 엔진회전수(Ne) 및 펌프압력(Pp)의 검출값에 더하여 조작레버(19,20)의 조작량에 대응하여 변화하는 제 1, 제 2 회로 압력(Pr1,Pr2)의 검출값에 따라 연산을 행하게 된다. 그 결과 운전중인 유압펌프(9,10)의 토오크를 양호한 정밀도로 예측할 수 있게 되어, 조작레버(19,20)의 조작개시, 종료의 직후 혹은 미조작시에도, 엔진출력에 대한 유압펌프(9,10)의 흡수토오크를 양호한 밸런스로 제어할 수 있다.

또한, 유압펌프(9,10)의 제어 출력토오크(Tr)는, 상기 예측토오크(Tp)와 예측토오크 변화량(DTp)의 각 범위에 대한 각 적합도와, 엔진회전수(Ne)의 목표회전수(Nset)에 대한 회전수 오차(△Ne)와의 곱으로 학습적 연산을 행하게 되며, 이 때문에 유압쇼벨(1)의 기종, 개체 차이 등에 의해 유압펌프(9,10)의 출력상태가 변화하거나, 작업환경변화(예컨데 한냉지, 온난지 등)나 엔진 연료변화에 의한 엔진특성에 따른 엔진회전수의 동력 특성이 변화하여도, 운전중인 유압펌프(9,10)의 출력상태와 엔진회전수 오차(△N)에 따라 제어측이 학습하여 유압펌프(9,10)의 제어 출력토오크(Tr)를 연산하게 되어, 개개의 유압쇼벨(1)에 대응한 유압펌프(9,10)의 제어를 행할 수 있다.

더우기, 전술한 바와 같은 제어장치(21)는 학습하는 것이므로, 유압쇼벨(1)의 기종마다 튜닝하거나 제거 프로그램을 변경할 필요가 없다는 이점이 있다.

다음에, 제 2 실시형태의 제어장치에서의 제어순서에 대하여, 도 9에 나타낸 블록도에 의거하여 설명하는데, 이것은 조건부 연산부의 입력값이 상기 제 1 실시형태와 다르다.

즉, 제 2 실시형태에서의 조건부 연산부(59)에는, 유압펌프(9,10)의 목표토오크(Tt)에 대한 예측토오크(Tp)의 토오크오차(△Tp)와, 예측토오크 변화량(DTp)과, 유압펌프(9,10)의 허용토오크(Tpm)가 입력된다. 여기서 상기 토오크오차(△Tp)는 예측토오크 연산부(52)에 의해 연산된 예측토오크(Tp)와 목표토오크(Tt)가 입력되는 가산기(58)에 의해 산출된다. 또 허용토오크(Tpm)는 유압펌프(9,10)가 그 이상의 토오크를 흡수할 수 없다는 상한값을 의미하고 있다.

그리고, 조건부 연산부(59)는 입력값이 상기 토오크오차(△Tp), 예측토오크 변화량(DTp), 허용토오크(Tpm) 등 3개로 되므로, 조건부 적합도의 수가 3개로 되어, 3개의 적합도 값을 합성한다. 이 합성값(μijk)의 연산은, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 하여 행할 수 있다. 또한 그 연산결과는 결론부 연산부(55) 및 제어 출력토오크 연산부(56)로 출력되고, 이들 연산부(55,56)에서 상기 합성값(μijk)을 전술한 식 (4), 식 (5)에 적용하여 유압펌프(9,10)의 제어 출력토오크(Tr)를 구한다.

이 경우, 상기 목표토오크(Tt), 엔진 목표회전수(Nset)는 상기 도 4의 엔진출력특성으로 나타낸 바와 같이, 각 액셀다이얼마다 설정하여, 도시하지 않은 메모리에 격납하여 둔다. 이와 같이 함으로써 본 제 2 실시형태에서는, 액셀다이얼마다에 결론부 변수(Wij)를 개별적으로 마련할 필요가 없어지므로, 메모리용량을 삭감할 수가 있다.

그리고, 이 제 2 실시형태에서는, 엔진 목표회전수(Nset)에 대한 회전수오차(△Ne) 뿐만 아니라, 목표토오크(Tt)에 대한 토오크오차(△Tp)도 제어연산에 사용하고 있으므로, 각 운전상태, 기체의 개체 차이, 작업환경에서 생기는 상기 오차의 변화에 대응한 유압펌프의 제어가 가능하게 된다.

참고로, 제 2 실시형태에 있어서, 제 1 실시형태와 공통되는 것(동일한 것)에 대하여는 동일 부호를 부여함과 동시에 그 상세에 관하여는 생략한다.

그리고, 본 발명은 상기 제 1, 제 2 실시형태에 한정되지 않음은 물론이며, 유압펌프의 토출유량을 구함에 있어서, 조작레버의 조작량으로부터도 산출할 수가 있다. 이 경우에는 조작레버의 조작량을 검출하는 조작량 검출수단을 설치함과 동시에 그 조작량 검출수단의 검출신호가 제어장치의 토출유량 예측연산부에 입력되도록 하면 된다.

이상에서와 같이 본 발명은, 출력상태 검출수단의 검출결과에 의해 예측되는 예측토오크에 의거하여, 엔진 목표회전수와 실제회전수와의 회전수 오차가 없어지도록 유압펌프의 출력토오크가 제어됨으로써, 조작부재의 조작개시, 종료 직후나 미세 조작시에서도 회전수 오차가 크게 변동되어 버리는 등의 일은 없고, 조작성이향상한다.

또한, 운전중인 유압펌프의 출력상태와 엔진회전수의 오차에 따라서 유압펌프의 제어 출력토오크를 제어할 수 있게 되어, 작업기계의 기종, 개체 차이 등에 의한 유압펌프의 출력상태가 변화하거나, 작업환경변화나 엔진연료변화 등에 의한 엔진특성에 따른 엔진회전수의 동력특성이 변화하여도, 제어측이 학습하여 각 작업기계에 따른 유압펌프의 제어를 행할 수 있다.

그리고, 엔진의 목표회전수마다 결론부 변수를 개별적으로 설정할 필요가 없어져, 제어장치의 메모리 용량을 삭감할 수 있다는 이점이 있다. 또 이것은 목표토오크에 대한 예측토오크의 오차도 적합도 연산의 대상으로 되어 있으므로, 운전상태, 기체의 개체 차이, 작업환경 등에서 생기는 상기 오차에도 대응한 유압펌프의 제어를 행할 수 있다.

또, 퍼지제어를 이용함으로써, 각 범위의 경계에 연속성을 부여할 수 있어, 제어출력을 연속적으로 부드러운 변화로 행할 수 있다.

Claims

엔진에 의해 구동되고, 조작부재의 조작량에 대응하여 압력오일을 유압 액츄에이터로 공급하는 가변용량형 유압펌프에 있어서, 상기 유압펌프의 출력토오크를 제어하기 위한 제어장치의 설치시에, 이 제어장치에, 엔진회전수를 검출하는 실제회전수 검출수단과, 유압펌프의 출력상태를 검출하는 출력상태 검출수단을 접속함과 동시에, 이 출력상태 검출수단의 검출결과로부터 운전중인 유압펌프의 토오크를 예측하고, 이 예측한 예측토오크에 의거하여 엔진의 사전에 설정된 목표회전수와 실제회전수와의 회전수 오차가 없어지도록 유압펌프의 출력토오크를 제어하는 구성으로 된 유압펌프의 제어장치.
제 1 항에 있어서, 제어장치는, 출력상태 검출수단의 검출결과로부터 운전중인 유압펌프의 토출유량을 예측하고, 이 예측된 토출유량에 의거하여 유압펌프의 예측토오크 및 예측토오크의 변화량을 연산하는 예측토오크 연산부가 설치되어 있는 유압펌프의 제어장치.
제 2 항에 있어서, 출력상태 검출수단은, 유압펌프의 토출압력을 검출하는 토출압력 검출수단과, 조작부재의 조작량을 검출하는 조작량 검출수단 또는 조작부재의 조작량에 대응하여 변화하는 회로압력을 검출하는 회로압력 검출수단인 유압펌프의 제어장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 제어장치는, 예측토오크 연산부에 의해 연산된 예측토오크 및 예측토오크 변화량에 의거하여, 사전에 설정된 제 1 수치범위에 대한 예측토오크의 적합도와 사전에 설정된 제 2 수치범위에 대한 예측토오크의 변화량의 적합도를 구하고, 또 이들 각 적합도의 합성값을 연산하는 적합도 연산부가 설치되며, 이 적합도 연산부에서 연산된 적합도 합성값과 엔진회전수 오차에 의거하여 유압펌프의 출력토오크를 제어하는 구성으로 된 유압펌프의 제어장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 제어장치는, 예측토오크 연산부에 의해 연산된 예측토오크 및 예측토오크 변화량에 의거하여, 목표토오크에 대한 예측토오크의 오차를 산출함과 동시에, 사전에 설정된 제 1 수치범위에 대한 예측토오크 오차의 적합도와 사전에 설정된 제 2 수치범위에 대한 예측토오크 변화량의 적합도와 사전에 설정된 제 2 수치범위에 대한 펌프허용 토오크의 적합도를 구하고, 다시 이들 각 적합도의 합성값을 연산하는 적합도 연산부가 설치되며, 이 적합도 연산부에서 연산된 적합도 합성값과 엔진 회전수오차에 의거하여 유압펌프의 출력토오크를 제어하는 구성으로 된 유압펌프의 제어장치.
제 4 항에 있어서, 제어장치는, 예측토오크 연산부에서 연산되는 예측토오크 변화량을 퍼지제어의 조건부 룰에 입력하고, 이 조건부 룰의 멤버쉽 함수로서 각 조건부 룰의 적합도를 산출하며, 또 상기 각 조건부 룰의 적합도 끼리의 각 합성값을 연산하는 퍼지룰 조건부 연산부와 이 퍼지룰 조건부 연산부에서 연산된 각 적합도 합성값과 엔진 회전수오차에 의거하여 결론부 변수를 연산하는 퍼지룰 결론부 연산부가 설치되고, 이들 조건부 및 결론부 연산부에서 연산된 각 적합도 합성값과 각 결론부 변수에 의해 결론부 변수의 평균값을 산출하며, 이 평균값에 의해 유압펌프의 출력토오크를 제어하는 구성으로 된 유압펌프의 제어장치.
제 5 항에 있어서, 제어장치는, 예측토오크 연산부에서 연산되는 예측토오크의 목표토오크에 대한 오차와 예측토오크의 변화량과 펌프 허용토오크를 퍼지제어의 조건부 룰에 입력하고, 이 조건부 룰의 멤버쉽 함수로서 각 조건부 룰의 적합도를 산출하며, 또 상기 각 조건부 룰의 적합도 끼리의 각 합성값을 연산하는 퍼지룰 조건부 연산부와, 이 퍼지룰 조건부 연산부에서 연산된 각 적합도 합성값과 엔진회전수 오차에 의거하여 결론부 변수를 연산하는 퍼지룰 결론부 연산부가 설치되고, 이들 조건부 및 결론부 연산부에서 연산된 각 적합도 합성값과 각 결론부 변수에 의해 결론부 변수의 평균값을 산출하여, 이 평균값에 의거하여 유압펌프의 출력토오크를 제어하는 구성으로 된 유압펌프의 제어장치.