KR101009838B1 - 유압펌프의 전자식 비례 밸브 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압펌프의 전자식 비례 밸브 제어장치에 관한 것이다.

본 발명은, 지령속도를 엔진의 현재 회전속도와 비교한 결과에 따라 전자식 비례 밸브(EPPR)를 제어하여 상기 엔진으로 구동하는 유압펌프를 궤환(feedback) 제어하되, 전자식 비례 밸브로 입력되는 전류지령을 제한하기 위한 지령 리미터를 추가로 구비하고, 지령 리미터가 수행하는 제어함수는 유압펌프의 현재 토출압력을 파라메터로 갖도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제어함수는 엔진의 등마력 곡선과 동일하도록 구성하거나, 엔진의 등마력 곡선에 대하여 일정 크기의 마진을 갖도록 구성하여 바람직하게 실시할 수 있다.

본 발명에 따르면 유압펌프의 최대마력에 대한 기계적 설정에 따라 발생하는 한계를 보완할 수 있다. 이에 따라 제어성능의 떨어짐이 없이 엔진의 최대 마력 사용이 가능해져 마력 손실이 없어지며, 엔진 최대마력과 유압펌프 최대마력 사이의 차를 줄여 급부하시 발생되는 엔진의 언더슈팅 및 유압의 맥동을 방지해 준다. 또한, 엔진 및 유압기기의 느린 동특성에 맞추어 제어기를 최적화 함으로써 제어성능을 향상시킬 수 있다.

굴삭기, 유압펌프, 토출압력, EPPR

Description

유압펌프의 전자식 비례 밸브 제어장치{ Apparatus to control EPPR valves of an oil pressure pump }

도 1은 유압펌프의 P-Q 곡선도

도 2는 종래의 전자식 비례 밸브 제어장치에 관한 구성도

도 3은 개선된 유압펌프의 P-Q 곡선도

도 4는 본 발명에 따른 전자식 비례 밸브 제어장치에 관한 구성도를 도시한 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11,21: 유압펌프 12,22: 엔진

13,23: F/V 컨버터 14,24: 필터

15,25: PID 제어기 16,26: EPPR 드라이버

17,27: 전자식 비례 밸브 28: 지령 리미터

본 발명은 유압펌프의 전자식 비례 밸브 제어장치에 관한 것으로서, 특히 굴삭기 등 중장비의 엔진으로 구동하는 유압펌프의 마력 매칭시 마력을 조정하는 전자식 비례 밸브(EPPR valve)를 유압펌프의 현재 토출압력에 따라 제어하여, 엔진의 제어 성능을 향상시키고 최대 출력을 이용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

굴삭기 등 중장비에서는 붐, 암, 버켓, 스윙 등의 동력원인 유압을 발생시키기 위해 유압펌프를 사용하고 있으며, 대부분의 유압펌프는 유압이 증가하면 유량이 떨어지도록 하여 일정 토크를 유지하게 하는 토크 일정형이다.

도 1을 참조하자면, 유량과 유압의 관계를 나타내는 P-Q 곡선은 사용환경에 맞도록 기계적으로 튜닝된다. 그리고, 고정된 P-Q 곡선의 이동이 가능하도록 하기 위해서는 유압펌프에 전자식 비례 밸브를 부착하는데, 유압펌프의 P-Q 곡선을 일정 범위내에서 이동하도록 할 수 있다. 전자식 비례 밸브가 부착되지 않는다면 유압펌프는 고정된 P-Q곡선을 가지게 된다. 이렇게 되면 엔진은 유압펌프가 출력할 수 있는 전 범위의 유압 구간에 대해서 같거나 더 높은 마력을 제공하여야만 한다.

만약, 유압펌프에 세팅된 마력곡선이 엔진이 제공하는 최대 마력보다 더 크게 될 경우에는 엔진은 과부하로 스풀되어 정지되는 현상이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해 유압펌프의 최대 마력은 엔진의 최대 마력보다 낮게 세팅되며, 이때의 차이는 마력손실을 가져온다. 또한, 엔진은 유압펌프에만 사용되는 것이 아니라 굴삭기 등 중장비에 부착된 에어콘, 라디오, 솔레노이드 밸브 등의 전장품에도 에너지를 공급해야 하기 때문에 이에 해당하는 마력의 여유분을 뺀 만큼 유압펌프의 최대마력은 더 낮아져야 한다.

유압펌프에 전자식 비례 밸브가 부착되지 않는 경우에는 전장품의 사용 유무에 관계없이 여유 마력폭은 항상 유지 되어야 한다. 이는 곧 마력손실을 의미한다. 하지만, 전자식 비례 밸브의 사용시에는 유압펌프의 최대마력을 엔진의 최대마력보다 높게 설정하고 엔진에 걸린 부하를 모니터링 한 후 부하가 커지게 되면 유압펌프의 최대마력을 줄임으로써 마력 손실을 현저히 줄일 수 있다. 이 때, 전자식 비례 밸브의 부적절한 제어는 엔진의 헌팅이나 유압의 리플 등을 동반하게 되어 연비손실 및 감각성의 저하와 같은 문제점을 야기하게 된다.

도 1에 도시한 예에서와 같이, 전자식 비례 밸브의 동작에 의한 P-Q 곡선의 이동범위는 곡선 (1)과 (2) 사이로 항상 일정하다. 부하의 증가로 인하여 유압펌프의 최대마력이 요구될 때에는 엔진의 최대마력과 유압펌프의 최대마력의 차가 큰 구간, 즉 150 ~ 270[kgf/cm^2] 구간에서 전자식 비례 밸브의 제어에 어려움이 발생한다.

도 2를 참조하여 종래의 전자식 비례 밸브 제어장치를 설명하자면, 필터(14)에 의해 필터링된 지령속도(TPS: Trottle Position Sensor)는 F/V 컨버터(13)에 의해 전압신호로 변환된 엔진(12)의 회전수와 비교된다. PID 제어기(15)는 비교 결과를 처리하여 EPPR 드라이버(16)를 제어함으로써 전자식 비례 밸브(17)를 제어하게 된다. 전자식 비례 밸브(17)는 유압펌프(11)를 제어하고, 유압펌프(11)는 엔진(12)과 직결되므로, 결국 궤환(feedback) 제어가 이루어지게 된다.

다시 설명하자면, 궤환된 엔진회전수를 받아 부하의 크기를 판단하며, 엔진회전수가 떨어지게 되면 전자식 비례 밸브(17)의 전류를 증가시켜 유압펌프(11)의 출력마력을 줄이게 된다. 이는 엔진 측면에서 부하의 감소를 의미하며, 엔진회전수는 다시 상승하게 된다. 제어를 통해 엔진속도가 지령속도를 유지하게 될 때 유압펌프의 출력마력은 엔진 등마력 곡선과 일치되는 점에 있을 것이다. 이것을 마력 매칭이라 한다.

유압펌프(11)의 최대 출력마력이 엔진의 그 것 보다 클 경우에는 빠르게 유압펌프의 출력마력을 감소시키지 않으면 엔진회전수의 하락폭은 커지게 된다. 이를 해결하기 위한 방법 중의 하나는 제어 게인(Gain)을 키우는 것이다. 그렇게 되면 빠른 유압펌프 마력의 반응으로 회전수의 하락폭은 줄어드나 엔진회전수의 작은 변동에도 전자식 비례 밸브(17)가 민감하게 반응하게 되어 유압의 맥동 및 엔진 헌팅을 유발하게 된다. 이에 따라 제어 게인을 키우는 값에도 한계를 가지게 되며, 유압맥동 및 엔진헌팅이 일어나지 않는 범위로 게인을 결정할 경우에는 유압펌프 출력마력의 느린 감소로 인해 엔진회전수의 하락은 감수해야만 한다.

또, 다른 방법은 유압펌프의 최대 마력을 기계적으로 도 1의 곡선(3)과 같이 설정하는 방법이다. 이는, 굴삭기내에 전장품들이 사용될 때 엔진 마력의 분산으로 인해 유압펌프에 공급되는 마력이 유압펌프의 최대마력보다 줄어들게 된다. 이 때에만 전자식 비례 밸브를 동작시켜 마력 매칭이 되도록 하고 그 이외에는 마력손실을 감수해야 한다.

이상적인 방법은 유압펌프의 최대마력을 기계적으로 엔진 등마력 곡선과 일치시키는 방법이지만, 이는 유압펌프의 기계적 한계에 의해 불가능하다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 유압펌프의 현재 토출압력에 따라 유압펌프의 최대마력이 제한되도록 전자식 비례 밸브의 전류값을 제한하여 유압펌프와 엔진 사이의 마력 매칭을 보다 효과적으로 수행함으로써, 유압맥동, 엔진 헌팅 및 소음을 줄여 운전 감각성 및 에너지 효율을 개선할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 유압펌프의 전자식 비례 밸브 제어장치는, 지령속도를 엔진의 현재 회전속도와 비교한 결과에 따라 전자식 비례 밸브를 제어하여 상기 엔진으로 구동하는 유압펌프를 궤환(feedback) 제어하되, 상기 전자식 비례 밸브로 입력되는 전류지령을 제한하기 위한 지령 리미터를 추가로 구비하고, 상기 지령 리미터가 수행하는 제어함수는 상기 유압펌프의 현재 토출압력을 파라메터로 갖도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 지령 리미터의 제어함수는 상기 엔진의 등마력 곡선과 동일하도록 구성하거나, 상기 엔진의 등마력 곡선에 대하여 일정 크기의 마진을 갖도록 구성하여 바람직하게 실시할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 유압펌프의 전자식 비례 밸브 제어장치는 유압펌프의 토출압력에 따라 전자식 비례 밸브에 공급하는 최소 전류를 제한함으로써, 전 압력구간에서 엔진 등마력 곡선과 유압펌프 최대마력 곡선의 차를 줄여준다. 그 결과로서 유압펌프의 최대마력 곡선은 도 3의 곡선(3)과 같이 된다. 이로 인하여, 급격한 부하변동에 의한 엔진회전수의 언더슈팅을 줄임으로써 전자식 비례 밸브의 제어 게인을 느린 유압특성에 최적화할 수 있다.

도 4를 참조하자면, 본 발명에 따른 유압펌프의 전자식 비례 밸브 제어장치는 전자식 비례 밸브(27)로 입력되는 전류지령을 제한하기 위한 지령 리미터(28)를 구비하고 있다. 이 때, 지령 리미터(28)가 수행하는 제어함수는 유압펌프(21)의 현재 토출압력을 파라메터로 갖도록 구성된다. 이러한 제어함수는 엔진의 등마력 곡선과 동일하도록 구성할 수 있으며, 엔진의 등마력 곡선에 대하여 일정 크기의 마진을 갖도록 구성할 수도 있다.

보다 구체적으로 설명하기로 한다.

엔진회전수는 궤환(feedback)되어 F/V 컨버터(23)에 의해 전압값으로 변환된 후 필터(24)에 의해 필터링된 엔진지령속도와 비교된다. 엔진지령속도와 엔진회전수의 오차는 PID 제어기(25)에 입력된다.

PID 제어기(25)는 전자식 비례 밸브(27)로 전달할 전류지령을 계산하여 EPPR 드라이버(26)로 인가함으로서 전자식 비례 밸브(27)를 제어한다. 이 때, 본 발명에 있어서는 PID 제어기(25)로부터의 전류지령은 지령 리미터(28)를 통해 EPPR 드라이버(26)로 인가되도록 구성된다.

지령 리미터(28)는 유압펌프(21)의 현재 토출압력을 파라메터로 가지는 제어함수를 이용하여 EPPR 드라이버(26)를 제어한다. 즉, 지령 리미터(28)는 유압펌프(21)의 토출압력에 따라 최소 전류를 제한하므로 엔진의 과도한 회전수 저하를 방지할 수 있게 된다. 이러한 지령 리미터(28)의 제어함수는 엔진의 등마력 곡선과 동일하도록 구성하거나, 엔진의 등마력 곡선에 대하여 일정 크기의 마진을 갖도록 구성하여 바람직하게 실시할 수 있다. 그러나 제어함수의 형태는 제어 필요성에 따라 다양하게 구성할 수 있는 것이다. 지령 리미터(28)에 의해 제한된 전류는 유압펌프(21)의 최대 출력마력을 조정하게 되고, 유압펌프(21)의 마력곡선은 도 3의 곡선(3)과 같이 이루어지게 된다.

이에 따라 유압펌프(21)는 전 압력구간에서 엔진 마력 곡선에 동일한 마진을 가지게 되며, 급부하에 의한 유압펌프의 최대마력 사용시 펌프 최대 마력과 엔진 마력의 차가 작으므로 엔진의 언더 슈팅의 크기는 줄어들고, PID 제어기(25)의 게인이 크지 않아도 된다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.

본 발명에 따르면 유압펌프의 최대마력에 대한 기계적 설정에 따라 발생하는 한계를 보완할 수 있다.

이에 따라 제어 성능의 떨어짐이 없이 엔진의 최대 마력 사용이 가능해져 마력 손실이 없어지며, 엔진 최대마력과 유압펌프 최대마력 사이의 차를 줄여 급부하시 발생되는 엔진의 언더슈팅 및 유압의 맥동을 방지해 준다. 또한, 엔진 및 유압기기의 느린 동특성에 맞추어 제어기를 최적화 함으로써 제어성능을 향상시킬 수 있게 되어, 유압맥동 및 엔진 헌팅을 줄여 운전 감각성 및 연비를 향상 시킬 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 지령속도를 엔진의 현재 회전속도와 비교한 결과에 따라 전자식 비례 밸브를 제어하여 상기 엔진으로 구동하는 유압펌프를 궤환(feedback) 제어하되,

   상기 전자식 비례 밸브로 입력되는 전류지령을 제한하기 위한 지령 리미터를 추가로 구비하고, 상기 지령 리미터가 수행하는 제어함수는 상기 유압펌프의 현재 토출압력을 파라메터로 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유압펌프의 전자식 비례밸브 전류 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지령 리미터의 제어함수는 상기 엔진의 등마력 곡선과 동일한 것을 특징으로 하는 유압펌프의 전자식 비례밸브 전류 제어장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 지령 리미터의 제어함수는 상기 엔진의 등마력 곡선에 대하여 일정 크기의 마진을 갖는 것을 특징으로 하는 유압펌프의 전자식 비례밸브 전류 제어장치.

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