KR100675147B1 - 아이피엠 모터와 피아이디 제어 기능이 내장된 인버터를통한 에너지 절약형 유압유니트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펌프를 구동시키는 아이피엠모터를 피아이디제어 기능이 내장된 인버터로 제어할 수 있도록 한 유압유니트에 관한 것으로써, 액추에이터가 보압 상태일 때, 유압펌프의 토출구 쪽에 설치된 압력센서의 값을 받아서, 인버터에서 적절한 값을 출력하여, 아이피엠모터의 회전수를 제어함에 따라, 액추에이터에 작용하는 압력이 설정된 값으로 유지할 수 있도록 하여 에너지를 절약할 수 있도록 한 유압유니트에 관한 것이다.

본 발명은 유압펌프(20)와 아이피엠모터(30)를 연결하고, 상기 유압펌프(20)의 유입구에는 기름탱크(10) 내의 흡입필터(13)와 연결되어 작동유를 흡입할 수 있도록 하였으며, 유압펌프(20)의 토출구에는 릴리프밸브(21)와 제어밸브(23)와 같은 보조 장치 및 제어부(40)로 압력값을 전달하는 압력센서(22)를 설치하고, 피아이디 제어 기능이 내장된 인버터(41)가 포함된 제어부(40)를 설치한 유압유니트(100)를 구성하여, 압력센서(22)의 압력값을 입력받아, 제어부(40)의 피아이디제어에 의한 피드백 제어를 통해, 인버터(41)의 출력값으로 아이피엠모터(30)의 회전수를 제어하여 액추에이터(60)에 작용하는 작동유의 압력을 설정된 값으로 유지 할 수 있도록 하는 대략적인 구성을 하고 있다.

이와 같이, 본 발명은 아이피엠모터 및 피아이디제어에 의해 액추에이터가 보압 상태에 놓일 때, 아이피엠모터의 회전수를 제어하여 적절한 압력을 유지하여 시스템 내에 쓰이는 에너지를 절약하여 주며, 작동유의 온도 변화 및 물성에 의한 변수 및 기타 외란에 대해서도 적절한 보상을 하여 설정된 압력에서 벗어나지 않게 하여 주는 특징이 있다.

유압유니트, 유압펌프, IPM모터, 인버터, PID제어

Description

아이피엠 모터와 피아이디 제어 기능이 내장된 인버터를 통한 에너지 절약형 유압유니트 { the hydraulic power unit of energy saving type by IPM motor, inverter having function of PID control }

도 1은 통상적인 기본 유압 회로도.

도 2는 본 발명에 따른 유압 회로도.

도 3은 본 발명의 제어 순서를 나타낸 제어 순서도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정면도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 측면도.

[ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ]

10 : 기름탱크 20 : 유압펌프 30 : 아이피엠모터

40 : 제어부 50 : 냉각기 60 : 액추에이터

70 : 프레임

본 발명은 펌프를 구동시키는 아이피엠모터를 피아이디제어 기능이 내장된 인버터로 제어할 수 있도록 한 유압유니트에 관한 것으로써, 액추에이터가 보압 상태일 때, 유압펌프의 토출구 쪽에 설치된 압력센서의 값을 받아서, 인버터에서 적절한 값을 출력하여, 아이피엠모터의 회전수를 제어함에 따라, 액추에이터에 작용하는 압력이 설정된 값으로 유지할 수 있도록 하여 에너지를 절약할 수 있도록 한 유압유니트에 관한 것이다.

일반적으로 유압장치는 압력에너지를 기계적 에너지로 변화시키는데 사용되는 것으로, 그 장점으로 인해서 전반적인 산업분야에서 많이 쓰이고 있으며, 기본적인 유압장치는 도1에서 도시한 바와 같이 모터를 회전하여 유압펌프를 가동함으로써, 기름탱크 내의 작동유을 제어밸브에 의해 그 양이나 그 출입의 순서를 제어하면서, 액추에이터를 작동시키는 일련의 작업을 수행하게 된다.

그러나 종래의 유압장치에는 액추에이터가 보압 상태일 때, 예를 들면, 작업 공정에서 가공물을 클램핑하고 있는 상태에서 작업을 하는 경우에, 그 상태를 유지시킬 압력만 있으면 되지만, 모터를 제어하는 요소가 없으므로, 모터가 계속 회전하여 유량을 계속 토출하므로 에너지 낭비가 되는 문제점이 있었다.

따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 모터의 회전수를 적절히 제어하 여, 에너지를 절약할 수 있는 방법이 고안되었는 바, 이를 살펴보면, 국내등록실용신안공보 제 0345799호 개시된 바와 같이, 사출성형기에 있어서, 작동 실린더의 작동거리와 유압모터의 회전속도를 각각 감지하여, 이를 바탕으로 제어부에서 부하 측의 작동상태를 파악하고, 그 판단 결과에 따라 인버터의 출력을 가변시켜 부하측 상태에 따라 대응되는 최적의 회전동력을 구동모터가 발생하도록 하는 것이다.

그러나 이 방법은 유압펌프를 가동하는 모터의 회전동력을 인버터로 제어하는 것으로써, 이는 절전을 위해 모터의 회전수가 줄어들어도, 정토크가 유지되어 펌프에서 토출되는 압력이 유지되도록 하여야 하나, 일반 삼상 유도 전동기의 경우 회전수가 떨어지면 정토크가 유지되지 못하므로, 회전수의 감소와 함께 압력이 같이 떨어져, 적정 압력을 유지할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 상기의 문제점을 해결하고자, 기름탱크, 유압펌프, 아이피엠모터 및 피아이디 제어 기능이 내장된 인버터가 포함된 제어부 등으로 구성된 유압유니트를 구성하여, 이를 액추에이터에 용량에 맞게 설치하여 사용하되, 상기 액추에이터가 보압 상태를 유지하게 될 때, 제어부가 유압펌프의 토출구에 설치된 압력센서의 압력값을 받아 인버터에 적절한 출력값을 내고, 이 값은 아이피엠모터의 회전수를 제어함으로써, 회전수가 떨어져도 액추에이터에 작용하는 작동유의 압력을 설정된 값으로 유지되도록 하여, 에너지를 절약하도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 피아이디 제어에 의한 피드백으로 작동유의 온도변화 및 물성에 의한 변수 및 기타 외란에 의한 변수도 적절히 보상할 수 있도록 하며, 콤팩트하게 제작되어, 공작기계, 수송기계, 공장자동화공정 등 산업전반에 걸쳐 유압동력장치에 용이하게 적용되어 사용할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 펌프를 구동시키는 아이피엠모터를 피아이디제어 기능이 내장된 인버터로 제어할 수 있도록 한 유압유니트에 관한 것으로써, 액추에이터가 보압 상태일 때, 유압펌프의 토출구 쪽에 설치된 압력센서의 값을 받아서, 인버터에서 적절한 값을 출력하여, 아이피엠모터의 회전수를 제어함에 따라, 액추에이터에 작용하는 압력이 설정된 값으로 유지할 수 있도록 하여 에너지를 절약할 수 있도록 한 유압유니트에 관한 것이다.

본 발명은 유압펌프(20)와 아이피엠모터(30)를 연결하고, 상기 유압펌프(20)의 유입구에는 기름탱크(10) 내의 흡입필터(13)와 연결되어 작동유를 흡입할 수 있도록 하였으며, 유압펌프(20)의 토출구에는 릴리프밸브(21)와 제어밸브(23)와 같은 보조 장치 및 제어부(40)로 압력값을 전달하는 압력센서(22)를 설치하고, 피아이디 제어 기능이 내장된 인버터(41)가 포함된 제어부(40)를 설치한 유압유니트(100)를 구성하여, 압력센서(22)의 압력값을 입력받아, 제어부(40)의 피아이디제어에 의한 피드백 제어를 통해, 인버터(41)의 출력값으로 아이피엠모터(30)의 회전수를 제어하여 액추에이터(60)에 작용하는 작동유의 압력을 설정된 값으로 유지 할 수 있도록 하는 대략적인 구성을 하고 있다.

본 발명 유압유니트(100)를 도2의 유압 회로도와 도3의 제어 순서도를 참고하여 상세히 설명하되, 먼저, 도2를 참고하여 본 발명의 유압 회로 및 구성을 살펴보면, 기름탱크(10)에서 작동유를 토출하기 위한 유압펌프(20) 및 아이피엠모터(30)가 연결되어 있으며, 상기 유압펌프(20)의 토출구는 과부하 방지를 위한 릴리프밸브(21)와 제어밸브(22) 및 압력센서(23)를 연결되고, 유압실린더와 같은 액추에이터(60)와 연결되어 있으며, 냉각기(50)는 작동유가 기름탱크(10)로 귀환하는 부분에 연결되고, 제어부(40)는 압력센서(22)에서 신호를 받아 아이피엠모터(30)로 출력값을 줄 수 있도록 하고 있다.

또한, 상기와 같은 회로도를 가진 유압유니트(100)의 작용 과정을 설명하면, 아이피엠모터(30)가 회전하여 유압펌프를 구동함으로써, 작동유가 압력을 받아 제어밸브(23)를 지나 액추에이터(60)에 작용하게 되고, 다시 기름탱크(10)로 귀환될 때, 냉각기(50)를 거치면서 냉각되는 과정을 거치며, 이 제어 과정은 도3에 도시된 바와 같이, 설정 압력을 입력하면, 이는 제어부(40)의 출력값으로 아이피엠모터(30)를 제어하여 유압펌프(20)의 유량을 결정하게 되는데, 이때 유압펌프(20)의 토출구에 위치한 압력센서(22)의 압력값은 다시 제어부(40)로 피드백 되며, 제어부 (40)는 이를 보상한 출력값으로 아이피엠모터(30)의 회전수를 제어하도록 하여, 유압펌프(20)의 토출되는 작동유의 압력을 설정된 값으로 유지시키도록 한다.

또한, 상기와 같은 회로를 가지는 유압유니트(100)를 실제로 구성한 실시예를 도4 및 도5에 도시한 바, 이는 유압유니트(100)를 콤팩트하도록 하기 위해, 먼저, 층이 2단이고 옆면이 트인 선반형태의 프레임(70)을 구성하되, 그 하부단에는 기름탱크(10) 및 제어부(40)를 설치하고, 상부단에는 유압펌프(20)와 아이피엠모터(30) 및 냉각기(50)를 설치한 것으로써 각 부분에 대한 자세한 내용은 다음과 같다.

먼저, 하부의 기름탱크(10)에는 에어브리더(11) 및 오일게이지(12)가 장착되어 있으며, 내부에 유압펌프(20)의 흡입구와 연결된 흡입필터(13)가 있어, 작동유에 포함된 이물질을 제거하여 주며, 제어부(40)는 피아이디제어 기능이 내장된 인버터(41)와 입력 및 표시를 위한 패널부(42)로 구성되어 있되, 필요에 따라 방열판(43)이 형성되어 제어부(40)에서 발생하는 열을 방출 시켜 준다.

그리고 이들 상부로는 유압펌프(20)와 아이피엠모터(30)가 연결되며, 또한 팬(51) 및 냉각기(50)가 순차적으로 형성되되, 상기 유압펌프(20)의 토출구에는 압력센서(22) 및 제어밸브(23)가 설치되고, 상기 제어밸브(23)에는 냉각기(50)와 연결되는 배관이 형성되어 있어, 액추에이터(60)에서 작동유가 귀환할 때, 냉각기 (50)를 거쳐 기름탱크(10)로 들어가도록 한다.

한편, 상기 아이피엠모터(IPM모터, Internal Permanent Magnet Motor) 및 피아이디 제어 방법은 아이피엠모터의 회전수 변화에 대한 정토크 및 압력의 유지가 양호하도록 하며, 속도 제어에 대한 반응성(응답성)이 빠른 특징이 있으며, 특히, 피아이디제어는 비례동작(Proportional control)과 적분동작(Integral control) 및 미분동작(Derivative control)의 각 동작을 조합시킨 것으로, 조작량이 동작 신호에 비례하여 변하는 비례 동작에 대해 생길 수 있는 잔류편차를 적분 동작이 없애 어 주며, 미분 동작에 의해 과도응답을 적게 하여 줌으로써 응답시간을 빠르게 하여 주는 특징이 있는데, 최근에는 이 피아이디제어 기능이 내장된 인버터가 출시되어 있으므로, 이것을 사용하는 것이 따로 피아이디제어에 대한 회로를 새로 구성하는 것보다 편리하며, 더욱 콤팩트한 유압유니트를 구성할 수 있는 특징이 있다.

이와 같이 구성된 유압유니트(100)의 사용 방법 및 작용 과정을 살펴보면, 먼저, 유압장치의 용량에 맞는 유압유니트(100)를 선정·설치하며, 패널부(42)에 버튼으로 설정 압력과, 최저 압력, 최대 유량 등을 입력하여 이를 작동시키면, 아이피엠모터(30)가 회전함에 따라 유압펌프(20)를 구동하여, 기름탱크(100)의 작동유를 액추에이터(60)로 보내게 되는데, 액추에이터(60)가 보압 상태에 이르게 되면, 이는 제어부(40)에 의해 인버터(41)의 출력값으로 아이피엠모터(30)의 회전수를 제어함으로써, 초기에 설정된 압력을 유지시켜 에너지를 절약하도록 한다.

따라서, 이와 같이 구성된 유압유니트는 유압동력장치가 필요한 곳에 바로 설치가 가능하고, 특히, 일반 유압시스템이 가지는 유량―압력 사이의 높은 비선형성의 특성과, 작동유의 온도 상승에 의한 점도 변화, 작동유의 압축성 및 누설, 마찰 특성 등과 같은 불확실한 변수와, 작동 중에 발생하는 부하 변화 및 예측 불가능한 외란 등에 의해서도 발생할 수 있는 압력 변화를 피아이디 제어 의한 피드백으로 보상함으로써, 모터를 효율적으로 구동하여 에너지를 절약할 수 있는 특징이 있다.

따라서 본 발명은 기름탱크, 유압펌프, 아이피엠모터 및 피아이디 제어 기능이 내장된 인버터가 포함된 제어부 등으로 구성된 유압유니트를 구성하여, 액추에이터에 용량에 맞게 설치하여 사용하되, 상기 액추에이터가 보압 상태를 유지하게 될 때, 제어부가 유압펌프의 토출구에 설치된 압력센서의 압력값을 받아 인버터에 적절한 출력값을 내고, 이 값은 아이피엠모터의 회전수를 제어함으로써, 회전수가 떨어져도 액추에이터에 작용하는 작동유의 압력이 설정된 값으로 유지하므로, 에너지를 절약하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 피아이디 제어에 의한 피드백으로 작동유의 온도변화 및 물성에 의한 변수 및 기타 외란에 의한 변수도 적절히 보상할 수 있으며, 콤팩트하게 제작되어, 공작기계, 수송기계, 공장자동화공정 등 산업전반에 걸쳐 유압동력장치에 용이하게 적용되어 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 유압펌프(20)를 구동하여 기름탱크(10)의 작동유를 액추에이터(60)에 작용할 수 있도록 구성된 통상 유압유니트에 있어서,

   유압펌프(20)에는 이를 구동하는 아이피엠모터(30)가 연결되고,

   상기 유압펌프(20)의 토출구에는 압력센서(22)가 설치되며,

   피아이디 제어 기능이 내장된 인버터(41) 및 이에 입력과 표시를 담당하는 패널부(42)로 구성된 제어부(40)가 구비되어,

   상기 제어부(40)는 압력센서(22)의 압력값을 받을 수 있고, 상기 아이피엠모터(30)로 출력값을 전달할 수 있도록 한 유압유니트(100)를 구성하여,

   패널부(42)에 설정 압력을 입력함에 따라, 액추에이터(60)의 보압 상태 시, 피아이디 제어에 의해 적절한 압력을 유지하여 에너지를 절약할 수 있음을 특징으로 하는 아이피엠 모터와 피아이디 제어 기능이 내장된 인버터를 통한 에너지 절약형 유압유니트.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 작동유의 귀환로에 냉각기(50)를 설치하여,

   작동유의 온도 상승으로 점도가 저하되는 것을 방지함을 특징으로 하는 아이피엠 모터와 피아이디 제어 기능이 내장된 인버터를 통한 에너지 절약형 유압유니 트.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상·하 두 개의 단으로 구성된 선반 형태의 프레임(70)을 구비하여,

   하부단에는 기름탱크(10)와 방열판(43) 및 제어부(40)가 순차적으로 구비·설치되고,

   상부단으로는 유압펌프(20), 아이피엠모터(30), 팬(51) 및 냉각기(50)가 순차적으로 구비·설치된 유압유니트(100)를 구성하여,

   유압동력장치에 설치 시, 공간 효율성을 높임을 특징으로 하는 아이피엠 모터와 피아이디 제어 기능이 내장된 인버터를 통한 에너지 절약형 유압유니트.

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