KR101293379B1 - 유압펌프 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건설기계에서의 유압펌프 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 유압펌프에서 토출되는 유체의 압력 변화량에 따라 엔진의 목표 회전수를 설정하고, 상기 설정한 엔진의 목표 회전수에서 실제 회전수를 뺀 차이 값에 따라 전자감압 비례밸브를 제어한다. 이와 같이, 전자감압 비례밸브가 제어되어 유압펌프의 토출 유량이 조정되고, 엔진은 정격 회전수로 구동된다.

엔진의 회전수, 전자감압 비례밸브, 유압펌프

Description

유압펌프 제어방법{Control method of hydraulic pump}

도 1은 본 발명을 적용하는 굴삭기의 구성을 나타낸 블럭도.

도 2는 본 발명의 유압펌프 제어방법을 보여주는 흐름도.

도 3은 본 발명의 유압펌프 제어방법에서 엔진의 목표 회전수의 설정을 보여주는 그래프.

도 4a는 본 발명을 적용하는 굴삭기에서 중부하의 경우에 엔진의 목표 회전수에 따른 전자감압 비례밸브의 전류 제어 선도를 나타낸 그래프.

도 4b는 본 발명을 적용하는 굴삭기에서 경부하의 경우에 엔진의 목표 회전수에 따른 전자감압 비례밸브의 전류 제어 선도를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 엔진 102 : 엔진 회전수 측정부

104 : 유압펌프 106 : 압력 측정부

108 : 전자감압 비례밸브 110 : 펌프 레귤레이터

112 : 유압 작동기 114 : 전자 제어부

본 발명은 건설기계에서의 유압펌프 제어방법에 관한 것이다.

굴삭기(excavator), 로더(loader), 도저(dozer), 또는 유압식 크레인(hydraulic crane) 등과 같은 건설기계는 엔진에 유압펌프를 연결하고, 엔진의 회전에 따라 유압펌프에서 출력되는 유체동력(hydraulic power)으로 유압실린더, 유압모터 등과 같은 유압작동기(actruator)들을 작동시켜 소정의 작업을 수행한다.

상기 건설기계가 수행하는 작업들은 경(light)부하 작업과 중(heavy)부하 작업으로 구분할 수 있다. 굴삭기를 예로 들면, 평지나 경사지의 면 고르기 작업 등은 경부하 작업이고, 땅파기 작업 등은 중부하 작업이다.

굴삭기와 같은 건설기계에 있어서 기본적으로 요구되는 것은 정확한 위치를 찾아 작업을 수행하는 위치제어 기술이지만, 이에 못지않게 불필요한 유량의 손실을 막는 기술 또한 중요하게 요구되고 있다.

이에 건설기계가 수행하는 작업에 따라 전자감압 비례밸브에 인가되는 전류 값을 제어하여 엔진에 무리가 가지 않고, 유압펌프에서 유량이 효과적으로 토출되게 하는 기술이 필요하다.

본 발명의 목적은 유압펌프에서 토출되는 유체의 압력 변화량에 따라 엔진의 목표 회전수를 설정하고, 설정한 목표 회전수와 엔진의 실제 회전수의 차이 값에 따라 전자감압 비례밸브를 제어하여 유압펌프의 토출유량을 조절함으로써, 궁극적으로 엔진의 부하로 작용하는 유압펌프의 출력을 제어하여 엔진이 정격 회전수로 구동되게 하는 유압펌프의 제어방법을 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유압펌프 제어방법은, 전자감압 비례밸브에 의해 유압펌프의 토출유량을 조절하고, 상기 조절된 토출유량에 의해 상기의 유압펌프를 구동하는 엔진의 회전수가 제어되는 유압펌프 제어방법에 있어서,엔진 회전수 측정부가 엔진의 실제 회전수를 측정하고, 압력 측정부가 유압펌프에서 토출되는 유체의 압력을 측정하고, 상기 측정한 유체의 압력으로 압력 변화량이 계산되는 단계; 상기 계산된 유체의 압력 변화량에 따라 엔진의 목표 회전수를 설정하는 단계; 및 상기 설정한 엔진의 목표 회전수와 상기 측정한 엔진의 실제 회전수의 차이 값에 따라 전자감압 비례밸브를 제어하여 유압펌프의 토출유량을 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 하기 위해 건설기계 중에 굴삭기를 실시 예로 들어 본 발명에 대해 상세히 기술해 나가도록 하겠다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명을 적용하는 굴삭기의 구성을 나타낸 블럭도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 굴삭기의 구성을 살펴보면, 부호 100은 동력원에 해당하는 엔진이다.

부호 102는 속도 센서를 이용하여 엔진(100)의 실제 회전수를 측정하는 엔진 회전수 측정부이다.

부호 104는 엔진(100)의 회전력에 의해 구동되는 유압 펌프이다. 상기 유압펌프(104)는 토출 유량이 가변되는 가변용량형 유압펌프이다.

부호 106은 압력 센서를 이용하여 유압펌프(104)에서 토출되는 유체의 압력을 측정하는 압력 측정부이다.

부호 108은 엔진(100)의 목표 회전수와 실제 회전수의 차이에 해당하는 전류값이 인가되어 펌프 레귤레이터(110)를 구동시키는 전자감압 비례밸브이다.

부호 110은 전자감압 비례밸브(108)에 인가된 전류값에 따라 유압펌프(104)의 사판(swash plate) 경전각(oblique angle)을 조절하여 토출 유량을 조정하는 펌프 레귤레이터이다.

부호 112는 유압펌프(104)에서 토출되는 유체에 의해 구동되는 유압 작동기(actuator)이다. 상기 유압 작동기(112)는 유압실린더 또는 유압 모터 등이 있다.

부호 114는 굴삭기의 전체 시스템을 관리하고, 각 부를 제어하는 전자 제어부이다.

도 2는 본 발명의 전자감압 비례밸브 제어방법을 보여주는 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 전자감압 비례밸브 제어방법에서 엔진의 목표 회전수의 설정을 보여주는 그래프이다.

도 4a는 본 발명을 적용하는 굴삭기에서 중부하의 경우에 엔진의 목표 회전수에 따른 전자감압 비례밸브의 전류 제어 선도를 나타낸 그래프이고, 도 4b는 본 발명을 적용하는 굴삭기에서 경부하의 경우에 엔진의 목표 회전수에 따른 전자감압 비례밸브의 전류 제어 선도를 나타낸 그래프이다.

전자감압 비례밸브(108)가 유압펌프(104)의 토출유량을 증가시키면 엔진(100)은 부하를 많이 받게 되고, 전자감압 비례밸브(108)가 유압펌프(104)의 토출유량을 줄이면 엔진(100)은 부하를 적게 받게 된다. 따라서 전자감압 비례밸브(108)의 제어를 통해 엔진의 회전수를 제어할 수 있는 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명을 적용하는 굴삭기의 작동을 예로 들어 자세히 설명하면, 굴삭 작업 또는 정지 작업 등의 소정의 작업을 수행하기 위해 운전자가 조작부를 조작하는 경우에 엔진(100)은 전자 제어부(114)의 명령에 의해 정격 회전수로 가동된다.(S200)

상기와 같이 엔진(100)이 가동되면, 유압펌프(104)는 엔진(100)의 회전력에 의해 구동된다. 상기의 유압펌프(104)는 전자감압 비례밸브(108)에 의해 토출유량이 조절되는 가변용량형 펌프이다.

상기의 유압펌프(104)가 구동되는 경우에 압력 측정부(106)는 유압펌프(104)의 토출압력을 측정하고, 측정한 압력 값은 전자 제어부(114)로 전달한다.(S204)

또한 상기 엔진 회전수 측정부(102)는 엔진(100)의 실제 회전수를 측정하고, 측정한 실제 회전수는 전자 제어부(114)로 전달한다.

전자 제어부(114)는 상기의 압력 측정부(106)에서 측정된 압력 값으로 압력 변화량을 계산하고, 압력 변화량과 기준치를 비교하여(S206), 압력 변화량이 기준치를 벗어나 급격한 변화를 보이는 경우에 중부하로 판단한다.

그리고 전자 제어부(114)는 상기 유체의 압력 변화량과 기준치의 차이 값에 따라 엔진(100)의 변화 회전수(X)를 산출한다.(S208)

전자 제어부(114)는 엔진(100)의 정격 회전수에 상기의 변화 회전수를 더하여 엔진(100)의 목표 회전수를 설정한다.(S210)

한편, 전자 제어부(114)는 압력 변화량과 기준치를 비교하여(S206), 압력 변화량이 기준치에 미달하는 변화를 보이는 경우에 경부하로 판단한다.

그리고 전자 제어부(114)는 상기 유체의 압력 변화량과 기준치의 차이 값에 따라 엔진(100)의 변화 회전수(X)를 산출한다.(S212)

전자 제어부(114)는 엔진(100)의 정격 회전수에 상기의 변화 회전수를 빼서 엔진(100)의 목표 회전수를 설정한다.(S214)

예를 들어, 도 3와 같이, 유압 펌프(104)에서 토출되는 유체의 압력 변화량이 기준치보다 큰 중부하인 경우에는 엔진(100)의 정격 회전수에 변화 회전수를 더하여 엔진(100)의 정격 회전수보다 높게 엔진(100)의 목표 회전수를 설정한다. 또한 유압 펌프(104)에서 토출되는 유체의 압력 변화량이 기준치보다 작은 경부하인 경우에는 엔진(100)의 정격 회전수에 변화 회전수를 빼서 엔진(100)의 정격 회전수 보다 낮게 엔진(100)의 목표 회전수를 설정한다.

전자 제어부(114)는 상기에서 설정한 엔진(100)의 목표 회전수와 상기 엔진의 측정 회전수를 비교하고, 그 차이 값으로 비례미분연산을 통해 전자감압 비례밸브(108)에 인가할 전류량을 결정한다.(S216) 비례미분연산제어는 급격히 일어나는 외부변동에 대한 편차가 큰 경우에는 조작량을 많이 하여 기민하게 제어하는 방법이다.

비례미분연산식은 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

u(t)=Kp*e(t)+Kd*(de(t)/dt)

여기서, "Kp"는 비례이득(Proportional Gain)이고, "Kd"는 미분이득(Derivative Gain)이며, "e(t)"는 엔진(100)의 목표 회전수와 실제 회전수의 차이이며, u(t)는 상기 엔진(100)의 목표 회전수와 실제 회전수의 차이를 조정하는 조작 값으로 전자감압 비례밸브(108)에 인가하는 전류량이다. 조작 값 "u(t)"는 비례이득 "Kp"에 엔진(100)의 목표 회전수와 실제 회전수의 차이 "e(t)"를 곱한 것과 미분이득 "Kd"에 엔진(100)의 목표 회전수와 실제 회전수의 차이에 대한 시간 미분치 "(de(t)/dt)"를 곱한 것의 합으로 계산된다.

전자 제어부(114)는 상기에서 연산된 전류 값을 전자감압 비례밸브(108)에 인가하고(S218), 전자감압 비례밸브(108)는 전자 제어부(114)에서 연산된 전류 값으로 펌프 레귤레이터(110)를 구동시킨다.

펌프 레귤레이터(110)는 전자감압 비례밸브(108)에 인가된 전류 값에 따라 유압펌프(104)의 사판 경전각을 조절하고, 조절된 경전각에 의해 유압펌프(104)의 토출유량을 조정한다(S220).

예를 들어, 유압 펌프(104)의 압력 변화량이 기준치보다 큰 중부하인 경우에 엔진(100)의 실제 회전수는 부하의 압력에 의해 떨어지게 된다. 전자 제어부(114)는 도 4a와 같이, 엔진(100)의 정격 회전수(Nr)에 변화 회전수(X)를 더하여 엔진의 목표 회전수(Nr+X)를 설정한다. 또한 상기와 같이 엔진(100)의 목표 회전수를 높게 설정하여, 도 4a와 같이, 해당하는 전류 제어 선도를 따라 전자감압 비례밸브(108)를 제어하여 토출 유량을 제어한다.

한편, 유압 펌프(104)의 압력 변화량이 기준치보다 작은 경부하인 경우에 엔진(100)의 실제 회전수는 상승하게 된다. 전자 제어부(114)는 도 4b와 같이, 엔진(100)의 정격 회전수(Nr)에 변화 회전수(X)를 빼서 엔진(100)의 목표 회전수(Nr-X)를 설정한다. 또한 상기와 같이 엔진(100)의 목표 회전수를 낮게 설정하여, 도 4b와 같이, 해당하는 전류 제어 선도를 따라 전자감압 비례밸브(108)를 제어하여 토출 유량을 제어한다.

상기와 같이 유압펌프(104)의 토출 유량이 조정되고 엔진(100)은 정격 회전수로 회전하게 된다.

상기와 같이 소정의 작업을 수행하고 작업을 종료하기 위해 운전자가 조작부를 조작하는 경우에 엔진(100)은 전자 제어부(114)의 명령에 의해 정지된다.(S222)

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실 시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 용이하게 알 수 있다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

유압펌프에서 토출되는 유체의 압력 변화량이 기준치보다 큰 중부하인 경우에 엔진의 목표 회전수를 높게 설정하여 전자감압 비례밸브에 인가되는 전류량을 크게 함으로써 토출 유량을 빨리 감소시킨다. 이에 엔진의 회전수가 정격 회전수 이하로 떨어지는 폭이 감소하는 효과가 있다.

유압펌프에서 토출되는 유체의 압력 변화량이 기준치보다 작은 경부하인 경우에 엔진의 목표 회전수를 낮게 설정하여 전자감압 비례밸브에 인가되는 전류량을 작게 제어함으로써 토출 유량을 적당히 증가시켜 최적의 조건에서 작업이 수행되도록 하는 효과가 있다.

상기와 같이 제어를 함으로써 엔진에 무리가 가지 않게 되고, 불필요한 유량의 손실도 없어지는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 전자감압 비례밸브에 의해 유압펌프의 토출유량을 조절하고, 상기 조절된 토출유량에 의해 상기 유압펌프를 구동하는 엔진의 회전수가 제어되는 유압펌프 제어방법에 있어서,

   상기 유압펌프로부터 토출되는 유체의 압력을 압력 측정부로 측정하여, 상기 유체의 압력 변화량을 계산하는 단계;

   엔진 회전수 측정부에 의해 측정된 상기 엔진의 실제 회전수로부터 상기 토출유량의 조정에 의해 회복되어야 할 엔진의 목표 회전수를 설정하는 단계; 및

   상기 목표 회전수와 상기 실제 회전수의 차이 값에 따라 전자감압 비례밸브를 제어하여 상기 유압펌프의 토출유량을 조정하는 단계를 포함하되,

   상기 목표 회전수를 설정하는 단계는,

   상기 유체의 압력 변화량에 대응되는 크기의 변화 회전수를 설정하고,

   상기 변화 회전수를 상기 엔진의 정격 회전수에 합산하여 상기 목표 회전수를 설정하며,

   상기 유체의 압력 변화량이 소정의 기준치보다 큰 경우에는 상기 변화 회전수와 상기 정격 회전수의 합인 상기 목표 회전수가 상기 정격 회전수보다 크게 설정되고,

   상기 유체의 압력 변화량이 소정의 기준치보다 작은 경우에는 상기 변화 회전수와 상기 정격 회전수의 합인 상기 목표 회전수가 상기 정격 회전수보다 작게 설정되며,

   상기 전자감압 비례밸브의 제어는,

   상기 엔진의 목표 회전수와 상기 엔진의 실제 회전수의 차이 값을 비례미분연산하여 전류량을 계산하고,

   상기 계산된 전류량을 전자감압 비례밸브로 공급하되,

   상기 비례미분연산은,

   수학식 1로 계산하는 것을 특징으로 하는 유압펌프 제어 방법.

   수학식 1

   u(t)=Kp*e(t)+Kd*(de(t)/dt)

   여기서, "Kp"는 비례이득(Proportional Gain)이고, "Kd"는 미분이득(Derivative Gain)이며, "e(t)"는 엔진(100)의 목표 회전수와 실제 회전수의 차이이며, u(t)는 상기 엔진(100)의 목표 회전수와 실제 회전수의 차이를 조정하는 조작 값으로 전자감압 비례밸브(108)에 인가하는 전류량이다.
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