KR100651695B1

KR100651695B1 - 건설장비 제어방법 및 그 시스템

Info

Publication number: KR100651695B1
Application number: KR1020020025233A
Authority: KR
Inventors: 권영민; 이상훈
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2006-11-30
Also published as: KR20030087247A

Abstract

본 발명은 건설장비 제어방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 엔진에 의해서 구동되는 가변용량형 유압펌프와; 전기적 신호에 의해서 펌프의 사판각을 변경할 수 있는 수단과; 전기적 신호에 의해서 엔진의 회전수를 변경할 수 있는 수단을; 구비한 건설장비에 있어서, 상기 펌프의 토출압력을 검출하기 위한 압력센서와 조이스틱의 조작량을 검출하는 센서를 구비하고, 무부하 상태에서 엔진의 회전수를 최고 회전수보다 낮게 설정하고, 펌프의 사판각도 최대 유량이 토출되는 위치보다 낮게 설정한 후, 조이스틱 조작량 신호와 펌프 토출압력 신호가 증가하면 엔진과 펌프의 마력이 증가하도록 상기 엔진회전수 제어수단과 펌프 사판각 변경수단에 의해 엔진 회전수와 펌프 사판각을 조절하도록 구성함으로써, 저 회전수 영역에서 급격한 부하에 대한 엔진과부하 문제와 부하변동에 따른 조작성 저하를 해결할 뿐만 아니라 연비와 소음을 감소시키는 효과가 있다.

건설장비 제어방법 및 그 시스템

Description

건설장비 제어방법 및 그 시스템{control system and method for construction equipment}

도 1은 본 발명에 따른 건설장비 제어시스템을 도시한 구성도,

도 2는 컨트롤러의 엔진 및 펌프 제어값 계산 블록도,

도 3은 네거티브 압력신호 처리함수 f₁(N₁, N₂) 선도,

도 4는 펌프 토출 압력신호 처리함수 f₂(P₁, P₂) 선도,

도 5는 기계식 가버너가 장착된 엔진의 성능 커브,

도 6은 전자식 가버너가 장착된 엔진의 성능 커브,

도 7은 펌프 성능 커브.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1 : 컨트롤러 2 : 마력 선택 스위치

3 : 펌프 입력토크 제어수단 4 : 엔진 회전수 제어수단

5 : 엔진 6a : 1펌프

6b : 2펌프 7a : 컨트롤밸브1

7b : 컨트롤밸브2 7c : 컨트롤밸브3

7d : 컨트롤밸브4 8a : 조이스틱1

8b : 조이스틱2 9a : 실린더1

9b : 실린더2 9c : 실린더3

9d : 실린더4 10a : 1펌프 네거티브 압력센서

10b : 2펌프 네거티브 압력센서 11a : 오리피스1

11b : 오리피스2 12 : 오일탱크

삭제

13a : 1펌프 메인 압력센서 13b : 2펌프 메인 압력센서

본 발명은 건설장비 제어방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 특히 엔진과 유압펌프가 구비된 건설장비에서 엔진과 펌프의 출력을 효율적으로 제어할 수 있도록 한 건설장비 제어방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 건설장비 중 굴삭기는 다양한 작업이 가능한 범용장비로서, 중부하의 굴삭 및 인양 작업, 고르기 작업등의 경부하 작업까지 다양한 작업조건에서 사용됨에 따라, 작업조건에 맞게 엔진과 펌프의 출력을 세팅하기 위한 장치가 구성되어 있다.

상기한 바와 같은 종래의 기술에 의한 시스템은 복수의 작업모드 선택스위치 중에서 작업종류에 맞는 작업모드 스위치를 선택하면 각 작업모드에 따라 미리 기억된 엔진의 목표 회전수와 펌프의 입력토크에 따라 엔진의 회전수와 펌프 입력토 크가 세팅된다.

여기서, 상기한 시스템은 작업자의 작업속도나, 부하정도와 관계없이 엔진 쓰로틀레버가 항상 일정한 값을 유지하고 있어, 불필요한 연료소비와 소음 및 진동이 발생되는 문제가 있다.

상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 종래의 방법으로는 무부하시에 엔진 회전수를 낮은 회전수에 설정하고, 부하검출수단에 의해 엔진부하를 검출하여 엔진부하에 맞는 엔진 회전수를 출력하도록 제어하는 방법을 구성하였다.

그러나, 상기한 바와 같은 제어방법은 급격한 부하변동에 대해 엔진의 응답특성이 늦어 작업성을 저하시키고, 엔진과부하를 발생시킬 수 있으며, 엔진부하를 검출하는 수단으로 네거티브 압력신호만을 사용함으로써 작업부하에 대한 고려가 이루어지지 않아 작업부하의 변화에 따라 작업속도가 가변되어 조작성이 저하되는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 저회전수 영역에서 급격한 부하에 대한 엔진과부하와 부하변동에 따른 조작성 저하를 해결함과 동시에 연비와 소음을 감소시킬 수 있도록 한 건설장비 제어방법 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 건설장비 제어시스템은 엔진에 의해서 구동되는 가변용량형 유압펌프와; 전기적 신호에 의해서 펌프의 사판각을 변경할 수 있는 수단과; 전기적 신호에 의해서 엔진의 회전수를 변경할 수 있는 수 단을; 구비한 건설장비에 있어서, 상기 펌프의 토출압력을 검출하기 위한 압력센서와 조이스틱의 조작량을 검출하는 센서를 구비하고, 무부하 상태에서 엔진의 회전수를 최고 회전수보다 낮게 설정하고, 펌프의 사판각도 최대 유량이 토출되는 위치보다 낮게 설정한 후, 조이스틱 조작량 신호와 펌프 토출압력 신호가 증가하면 엔진과 펌프의 마력이 증가하도록 상기 엔진회전수 제어수단과 펌프 사판각 변경수단에 의해 엔진 회전수와 펌프 사판각을 조절하도록 구성함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 건설장비 제어시스템을 도시한 구성도이며, 도 2는 컨트롤러의 엔진 및 펌프 제어값 계산 블록도이며, 도 3은 네거티브 압력신호 처리함수 f₁(N₁, N₂) 선도이며, 도 4는 펌프 토출 압력신호 처리함수 f₂(P₁, P₂) 선도이며, 도 5는 엔진 성능 커브이며, 도 6은 전자가버너가 장착된 엔진의 성능 커브이며, 도 7은 펌프 성능 커브이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 건설장비 제어시스템은 엔진에 의해서 구동되는 가변용량형 유압펌프와; 전기적 신호에 의해서 펌프의 사판각을 변경할 수 있는 수단과; 전기적 신호에 의해서 엔진의 회전수를 변경할 수 있는 수단을; 구비한 건설장비에 있어서, 상기 펌프의 토출압력을 검출하기 위한 압력센서와 조이스틱의 조작량을 검출하는 센서를 구비하고, 무부하 상태에서 엔진의 회전수를 최고 회전수보다 낮게 설정하고, 펌프의 사판각도 최대 유량이 토출되는 위 치보다 낮게 설정한 후, 조이스틱 조작량 신호와 펌프 토출압력 신호가 증가하면 엔진과 펌프의 마력이 증가하도록 상기 엔진회전수 제어수단과 펌프 사판각 변경수단에 의해 엔진 회전수와 펌프 사판각을 조절하도록 구성한다.

여기서, 상기 엔진회전수 제어수단과 펌프 사판각 변경수단에는 자동모드를 선택하는 스위치가 선택될 때만 제어신호를 출력하도록 구성한다.

또한, 상기 엔진은 전자식 가버너가 장착된 엔진으로 구성된다.

도1의 유압회로는 굴삭기의 일반적인 시스템 구성으로 2개의 펌프(6a, 6b)가 엔진(5)에 연결되고, 펌프(6a, 6b)에서 출력된 유량이 컨트롤밸브(7a, 7b, 7c, 7d)로 입력되며, 컨트롤밸브(7a, 7b, 7c, 7d)를 조절하기 위한 조이스틱(8a, 8b)이 구성되어, 조이스틱(8a, 8b)에서 출력된 파이로트 압력에 의해서 컨트롤밸브(7a, 7b, 7c, 7d)가 조절되어 실린더(9a, 9b, 9c, 9d)로 유입되는 유량이 조절된다.

한편, 상기 컨트롤밸브(7a, 7b, 7c, 7d)의 중립라인을 통해서 출력된 유량은 네거티브 컨트롤을 위한 오리피스(11a, 11b)를 통과해서 오일탱크(12)로 리턴되는 구조를 가진다.

이상과 같이 구성된 굴삭기의 유압 시스템에 본 발명에 따른 건설장비 제어시스템을 적용하기 위해서 네거티브압력을 검출하기 위한 1펌프 네거티브 압력센서(10a)와 2펌프 네거티브 압력센서(10b) 및 펌프(6a, 6b)의 토출 압력을 검출하기 위한 펌프 메인 압력센서(13a, 13b)를 구비하고, 이 압력센서 신호들을 입력하여 엔진(5)과 펌프(6a, 6b)에 출력하는 제어신호를 연산하는 컨트롤러(1)를 구비하며, 컨트롤러(1)로부터 제어신호에 의해서 엔진의 쓰로틀레버 위치를 조절하는 엔진 회전수 제어수단(4)과, 펌프의 경전각을 제어하는 펌프 입력 토크 제어수단(3)과, 마력 제어방법을 선택할 수 있는 마력 선택 스위치(2)로 구성된다.

또한, 상기 엔진 회전수 제어수단(4)은 기계식 가버너가 장착된 엔진에서는 엔진의 쓰로틀 레버를 움직이기 위한 모터로 구성되며, 전자식 가버너가 장착된 엔진에서는 전자식 가버너가 컨트롤러로부터의 지령신호에 따라서 엔진 회전수를 직접 제어한다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 건설장비 제어시스템에서, 컨트롤러의 연산과정을 설명하면 도2에 도시된 바와 같이, 마력 선택 스위치(2)로부터 온 신호가 입력되면 컨트롤러(1)는 오리피스1(11a)과 오리피스2(11b)의 네거티브 압력신호 N1, N2를 입력하고, 함수 f₁(N₁, N₂)에 의해서 네거티브 압력신호에 따른 작업속도 N을 계산한다.

여기서, 상기 함수 f₁(N1, N2)은 펌프 네거티브압력에 의해서 N을 계산하는 함수로서, 펌프 네거티브 압력의 평균값인 (N1+N2)/2의 값을 계산하고 도3에 도시된 바와 같은 관계에 의해서 N값을 계산한다.

또한, 상기 펌프 메인 압력센서(13a, 13b)의 펌프 토출 압력신호인 P1, P2를 입력하고, 함수f₂(P₁, P₂)에 의해서 작업부하 P를 계산한다.

그리고, 상기 함수f₂(P₁, P₂)는 펌프 네거티브 압력에 의해서 P를 계산하는 함수로서, 펌프 토출압력의 평균값인 (P1+P2)/2의 값을 계산하고 도4에 도시된 바와 같은 관계에 의해서 P값을 계산한다.

따라서, 계산된 N과 P에 의해서 제어 기준값 C는 C = G₁N + G₂P에 의해서 구한다.

여기서, G₁은 작업속도 게인값을 나타내고, G₂는 작업부하 게인값을 나타낸다.

이 값은 조이스틱(8a, 8b)에 의해서 지령되는 작업속도와 외부부하에 의해서 인가되는 작업부하에 의해서 계산되는 제어값의 비율을 나타내며 장비에 따라 적절한 값의 튜닝이 필요하다.

엔진 회전수 제어수단에 출력되는 제어값은 U_engine = E_min + K_eC에 의해서 계산되며, 여기서 E_min은 엔진제어 최소값을 나타내고 K_eC는 제어값의 증분을 나타내며, K_e는 엔진 회전수의 제어폭을 결정하는 엔진제어 게인값이다.

펌프 입력 토크 제어수단에 출력되는 제어값은 U_pump = P_min + K_pC에 의해서 계산되며, 여기서 P_min은 펌프 제어 최소값을 나타내고 K_pC는 제어값의 증분을 나타내며, K_p는 펌프 입력 토크의 제어폭을 결정하는 펌프제어 게인값이다.

계산된 U_engine과 U_pump값이 각각 엔진 회전수 제어수단과 펌프 입력토크 제어수단에 출력된다.

작업자가 조이스틱(9a, 9b)을 움직여서 작업을 수행하면 조이스틱(9a, 9b)의 움직인 양에 반비례하여 오리피스(11a, 11b)의 네거티브 압력이 변화된다.

이 네거티브 압력의 변화에 따라서 엔진(5) 및 펌프(6a, 6b)의 마력을 조절함으로써, 작업자가 조이스틱(9a, 9b)을 많이 조작해서 빠른 속도를 원할 때는 엔진 회전수를 증가시키고, 펌프의 사판각을 증가시켜 빠른 속도가 출력되도록 마력을 제어하고, 미세작업을 위해서 조이스틱(9a, 9b)을 작게 조작하면 엔진 회전수와 펌프의 사판각을 줄여서 속도가 감소되도록 마력을 제어한다.

이러한 제어방법을 통해서 작업속도가 작을 때는 엔진 회전수가 낮게 세팅되어 연료소모량 및 소음을 감소시킬 수 있고, 마력이 낮게 세팅되어 정밀 조작의 조작성 향상을 얻을 수 있으며, 펌프의 입력토크가 감소하여 급격한 부하에 대해서 엔진 회전수의 과도한 저하를 방지할 수 있다.

또한, 작업속도가 클 때는 엔진 회전수와 펌프 사판각이 증가하여 마력이 증가함으로서 빠른 속도로 작업을 수행하는 것이 가능하다.

또한, 작업속도에 의한 마력제어와 더불어서, 작업부하에 비례하는 펌프 메인 압력센서(13a, 13b)의 펌프 토출 압력을 입력하여 작업부하를 계산하고 이 작업부하의 크기에 비례하여 마력을 증가시키도록 엔진과 펌프를 제어함으로서, 작업속도가 큰 중부하 작업에서는 높은 마력에서 작업을 수행할 수 있고, 미세작업 등의 경부하 작업에서는 낮은 마력 범위에서 정밀한 작업을 수행할 수 있다.

본 발명에 의한 제어 결과를 도5에 도시된 바와 같은 엔진 성능 커브에서 살펴보면, 본 발명에 의한 제어 결과는 무부하 상태의 엔진 회전수가

에 세팅되며 작업부하의 크기가 작을 때는 조이스틱의 조작량에 비례하여 A라인을 따라서

에서 R_r1까지 A라인과 C라인을 따라서 엔진 토크가 변화된다.

작업부하(펌프 토출 압력)가 증가되면 엔진 토크 커브는 작업부하에 비례하여 점차 B라인 쪽으로 변화되며 최대 부하시는 조이스틱의 조작량에 비례하여

에서 R_r2까지 B라인과 C라인을 따라서 변화된다.

즉, 미세 작업과 같이 펌프 토출 압력이 낮은 경부하 작업에서는 조이스틱 조작에 따른 엔진 회전수 제어폭이 작아서 정밀 작업에 효과 적이고, 덤프작업과 같은 중부하 작업에서는 조이스틱 조작에 따른 엔진 회전수 제어폭이 증가하여 충분한 속도를 출력하는 효과를 가진다.

또한, 도6은 전자가버너가 장착된 엔진에서 본 발명에 의한 엔진 성능 커브를 나타낸다.

본 발명에 의한 제어 결과는 무부하 상태의 엔진 회전수가

작업부하(펌프 토출 압력)가 증가되면 엔진 토크 커브는 작업부하에 비례하여 점차 B라인 쪽으로 변화되가하여 충분한 속도를 출력하는 효과를 가진다.

또한, 도7에 도시된 바와 같은 펌프 성능 커브를 보면 엔진 및 펌프의 마력을 작업속도와 작업부하에 연동하여 제어한 결과는 C의 커브를 따라서 유량이 변화되며, 압력의 변동에 대해서 유량의 변화가 작은 것을 확인할 수 있다.

즉, 저압 영역에서는 정밀작업을 위해서 유량을 감소시키고, 고압영역에서는 빠른 작업을 위해서 유량을 증가시켜 작업의 효율을 높일 수 있도록 제어한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 건설장비 제어방법 및 그 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명에 따른 건설장비 제어방법 및 그 시스템은 무부하시에 엔진회전수를 미리 설정된 낮은 회전수에 설정하고, 펌프의 입력토크도 미리 설정된 낮은 위치에 설정하여, 작업자의 조이스틱 지령신호와 작업부하의 크기에 따라서 엔진과 펌프의 마력을 증가시키도록 제어함으로써, 엔진을 높은 회전수에 고정하고 사용하는 시스템에 비해서 연비와 소음을 감소시킬 수 있으며, 엔진 회전수가 감소되면 펌프의 입력토크가 동시에 감소되도록 제어함으로써 저회전수 영역에서 급격한 부하에 대한 엔진 과부하 문제를 해결하는 효과가 있다.

둘째, 본 발명에 따른 건설장비 제어방법 및 그 시스템은 작업자가 조이스틱을 움직여 작업속도가 변화되면 작업속도의 증가량에 따라 미리 설정된 범위에서 엔진 회전수와 펌프 입력토크를 증가시키도록 제어함과 동시에 펌프의 토출압력으로부터 작업부하를 계산하여 이 값의 증가에 비례하여 미리 설정된 범위에서 엔진회전수와 펌프 입력토크를 증가시키도록 제어함으로써, 부하변동에 따라서 부하에 맞는 적정한 마력이 세팅되어 부하 변화에 따른 속도 변화가 감소되어 작업자의 조작성이 향상되는 효과가 있으며, 모드를 변경하지 않고 한 모드에서 미세작업 등의 정밀작업과 덤프작업등의 부하작업을 효과적으로 수행함으로서 작업 종류에 따라서 적정한 모드를 선택해야 하는 부담을 덜 수 있는 장점을 가진다.

Claims

엔진에 의해서 구동되는 가변용량형 유압펌프와; 전기적 신호에 의해서 펌프의 사판각을 변경할 수 있는 수단과; 전기적 신호에 의해서 엔진의 회전수를 변경할 수 있는 수단을; 구비한 건설장비에 있어서,

상기 펌프의 토출 압력을 검출하기 위한 압력센서와 조이스틱의 조작량을 검출하는 센서를 구비하고, 무부하 상태에서 엔진의 회전수를 최고 회전수보다 낮게 설정하고, 펌프의 사판각도 최대 유량이 토출되는 위치보다 낮게 설정한 후, 조이스틱 조작량 신호와 펌프 토출압력 신호가 증가하면 엔진과 펌프의 마력이 증가하도록 상기 엔진회전수 제어수단과 펌프 사판각 변경수단에 의해 엔진 회전수와 펌프 사판각을 조절하도록 구성함을 특징으로 하는 건설장비 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 엔진회전수 제어수단과 펌프 사판각 변경수단에는 자동모드를 선택하는 스위치가 선택될 때만 제어신호를 출력하도록 구성함을 특징으로 하는 건설장비 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 엔진은 전자식 가버너가 장착된 엔진으로 구성됨을 특징으로 하는 건설장비 제어방법.
엔진에 의해서 구동되는 가변용량형 유압펌프와; 전기적 신호에 의해서 펌프 의 사판각을 변경할 수 있는 수단과; 전기적 신호에 의해서 엔진의 회전수를 변경할 수 있는 수단을; 구비한 건설장비에 있어서,

상기 펌프의 토출압력을 검출하기 위한 압력센서와 조이스틱의 조작량을 검출하는 센서를 구비하고, 무부하 상태에서 엔진의 회전수를 최고 회전수보다 낮게 설정하고, 펌프의 사판각도 최대 유량이 토출되는 위치보다 낮게 설정한 후, 조이스틱 조작량 신호와 펌프 토출압력 신호가 증가하면 엔진과 펌프의 마력이 증가하도록 상기 엔진회전수 제어수단과 펌프 사판각 변경수단에 의해 엔진 회전수와 펌프 사판각을 조절하도록 구성함을 특징으로 하는 건설장비 제어시스템.
제4항에 있어서, 상기 엔진회전수 제어수단과 펌프 사판각 변경수단에는 자동모드를 선택하는 스위치가 선택될 때만 제어신호를 출력하도록 구성함을 특징으로 하는 건설장비 제어시스템.
제4항에 있어서, 상기 엔진은 전자식 가버너가 장착된 엔진으로 구성됨을 특징으로 하는 건설장비 제어시스템.